DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNA PRENSA ELECTROHIDRÁULICA PARA EL ESTAMPADO DE PLACAS DE VEHÍCULOS

DIEGO FERNANDO RODRÍGUEZ 2110904

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2019

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNA PRENSA ELECTROHIDRÁULICA PARA EL ESTAMPADO DE PLACAS DE VEHÍCULOS

DIEGO FERNANDO RODRÍGUEZ

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director EMERSON ESCOBAR NUÑEZ

Ph.D. Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2019

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico HÉCTOR JARAMILO Jurado MAURICIO BARRERA Jurado

Santiago de Cali, 14 de noviembre de 2019

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A mis padres y a todos aquellos a quienes considero amigos, mi corazón y mis esfuerzos los comparto con ustedes…

5

AGRADECIMIENTOS

A Dios por darme la vida y la motivación para finalizar con éxitos mis estudios. A mis padres por apoyarme y confiar en mi convicción. A mis amigos por compartir conmigo momentos de felicidad en el arduo camino que significó convertirme en ingeniero. A mi director Emerson Escobar, por siempre estar dispuesto a acudir en mi ayuda en momentos de dudas técnicas.

6

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 13

INTRODUCCIÓN 15

1. JUSTIFICACIÓN 17

2. OBJETIVOS 18

2.1 OBJETIVO GENERAL 18

2.2 OBJETIVO ESPECIFICOS 18

2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 19

3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 19

4. ANTECEDENTES 20

5. MARCO TEÓRICO 23

5.1 PRINCIPIO DE PASCAL 23

5.1.1 Presión. 24

5.1.2 Presión absoluta y relativa 25

5.1.3 Presión hidrostática e hidrodinámica 25

5.1.3 Compresibilidad 26

5.2 GENERALIDADES DE LAS PRENSAS HIDRÁULICAS 27

5.2.1 Clasificación de las prensas hidráulicas 28

6. DISEÑO DE LAS PIEZAS CRÍTICAS DE LA ESTRUCTURA DE LA PRENSA ELECTROHIDRÁULICA 31

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6.1 CÁLCULO DE LA PLACA SUPERIOR 31

6.2 CÁLCULO DE LAS COLUMNAS 33

6.3 CÁLCULO DE LOS PERNOS 36

6.3.1 Pernos de la unión columna-placa media. 36

6.4 CÁLCULO DE SOLDADURA DE LA PLACA SUPERIOR 38

7. CÁLCULO DE LOS COMPONENTES HIDRÁULICOS 42

7.1 CÁLCULO DEL CILINDRO HIDRÁULICO 42

7.1.1 Calculando los pernos del cilindro 42

7.1.2 Calculando el diámetro interior de la camisa del cilindro 43

7.1.3 Calculando el espesor de la camisa del cilindro. 43

7.1.4 Calculando el diámetro del vástago 44

7.1.5 Calculando el espesor del pistón. 46

7.2 CÁCULO DEL CAUDAL DE LA BOMBA 47

7.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA CONSUMIDA POR LA BOMBA 47

8. SELECCIÓN DE ELEMENTOS HIDRÁULICOS 49

8.1 BOMBA HIDRÁULICA DE ENGRANAJES 49

8.2 FILTRO DE SUCCIÓN HIDRÁULICO 50

8.3 CAMPANA HIDRÁULICA 52

8.4 ACOPLE MOTOR – BOMBA 53

8.4.1 Características 53

8.5 VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN 54

8.5.1 Características 54

8.6 MANGUERAS HIDRÁULICAS 54

8

8.7 TUBERÍA MILIMÉTRICA 55

8.8 ACEITE HIDRÁULICO 55

9. SELECCIÓN DE ELEMENTOS ELECTRICOS 56

9.1 ARRANCADOR SUAVE 56

9.1.1 Características 56

9.1.2 Información general 57

9.2 MOTOR ELÉCTRICO 57

10. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA EN SOLIDWORKS 58

10.1 RESULTADOS DE ANÁLISIS ESTÁTICO 58

10.1.1 Propiedades de Estudio 58

10.2 FUERZAS RESULTANTES 60

10.2.1 Fuerzas de reacción 60

10.3 RESULTADOS DE ANÁLISIS POR FATIGA 63

10.4 FABRICACIÓN 65

10.4.1 Elaboración de planos de fabricación 66

10.4.2 Proceso de mecanizado de las piezas mecánicas. 67

10.5 ENSAMBLE MECÁNICO (SOLDADURA Y AJUSTE MECÁNICO) 69

11. EVALUACION DE COSTOS 71

12. CONCLUSIONES 72

BIBLIOGRAFÍA 73

ANEXOS 79

9

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Prensa hidráulica 23

Figura 2. Prensa hidráulica tipo pilar 29

Figura 3. Prensa de marco C 29

Figura 4. Prensa de marco en H, con cabezal desplazable 30

Figura 5. Piezas críticas estructura de prensa hidráulica 31

Figura 6. Diagrama de cuerpo libre 32

Figura 7. Cargas en la columna 34

Figura 8. Esquema de columna utilizada en los cálculos 34

Figura 9. Perfil de la columna 35

Figura 10. Esquema de la junta columna-placa 37

Figura 11. Zona de soldadura 39

Figura 12. Distribución de fuerzas en la tapa del cilindro 42

Figura13. Diámetro de vástago 44

Figura 14. Esquema hidráulico 49

Figura 15. Características del filtro y la selección final 51

Figura 16. Campana hidráulica 52

Figura 17. Esquema acoplamiento 53

Figura 18. Contactor marca Chint 56

Figura 19. Esfuerzos de Von Mises 61

Figura 20. Deformación de la estructura 62

10

Figura 21. Factor de seguridad estático 63

Figura 22. Daño 64

Figura 23. Vida 65

Figura 24. Ensamble estructural 67

Figura 25. Esquema de fabricación de piezas 68

Figura 26. Detalle de soldaduray juntas 69

Figura 27. Ensamble con componentes hidráulicos 70

11

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Dimensiones principales de cuerdas de tornillos del estándar métrico ISO 38

Tabla 2. Especificaciones técnicas de soldadura 40

Tabla 3. Selección de filtros de malla de acero inoxidable 51

Tabla 4. Selección de campana hidráulica 52

Tabla 5. Tabla de selección de mangueras 54

Tabla 6. Selección de la tubería 55

Tabla 7. Ficha técnica contactor NC6 57

Tabla 8. Propiedades de estudio. 58

Tabla 9. Propiedades de Estudio Unidades 58

Tabla 10. Cargas y sujeciones 59

Tabla 11. Información de contacto 59

Tabla 12. Información de malla 60

Tabla 13. Fuerzas y momentos de reacción 60

Tabla 14. Especificaciones técnicas electrodo revestido E-7018 Ar 1/8 64

Tabla 15. Presupuesto del proyecto 71

12

LISTADO DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Planos de fabricación de la estructura de la prensa electrohidráulica 79

Anexo B. Página 727 del libro diseño de máquinas un enfoque integral 83

Anexo C. Fotografías de la prensa hidráulica terminada e instalada 84

Anexo D. Ficha técnica motor de 5 hp 87

Anexo E. Ficha técnica ACEITE ISO 68 88

Anexo F. Esquema eléctrico 92

Anexo G. Ficha técnica Bomba Hidráulica Roquet 93

Anexo H. Ficha técnica Manómetro conexión vertical NG 63. Modelo 213.53 95

Anexo I. Ficha técnica Indicador de Nível 97

Anexo J. Ficha técnica acero ASTM A36 98

Anexo K. Ficha técnica Soldadura Lincoln 7018 99

Anexo L. Posibles fallas y averías 101

Anexo M. Definiciones varias y conceptos utilizados 102

Anexo N. Ficha técnica de la prensa electro-hidráulica 106

Anexo O. Conceptos de columnas 107

Anexo P. Fórmulas varias para cálculos hidráulicos 110

Anexo Q. Simbología hidráulica 111

Anexo R. Esquema hidráulico 112

Anexo S. Planos cilindro hidráulico 113

Anexo T. Mantenimiento 121

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RESUMEN Este documento contiene la descripción de los pasos realizados para calcular, diseñar y fabricar una prensa electrohidráulica que tiene como propósito la fabricación de placas para vehículos automotores, las cuales son requerida por la empresa Fanar S.A. Dentro del proceso de diseño cabe destacar que se inició primero con el cálculo de la resistencia de los materiales a utilizar, tanto en la estructura como en el sistema hidráulico; para comprobar resultados se realizó también un análisis de elementos finitos, que permite encontrar valores más cercanos al comportamiento natural de la estructura, ya que hace un análisis más puntual sobre el modelo, calculando en variedad de puntos de malla alrededor de este, además se hace una descripción de la fabricación y montaje de la prensa en su lugar de trabajo. Palabras clave: Diseño de prensa electrohidráulica, diseño de un cilindro hidráulico, sistema hidráulico para prensas, fabricación de placas con prensa electrohidráulica.

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ABSTRACT This document contains the description of the steps taken to calculate, design and manufacture an electro-hydraulic press which has as its purpose the manufacture of plates for motor vehicles, which are required by the company Fanar S.A. Within the design process it should be noted that it was first started with the calculation of the resistance of the materials to be used in both the structure and the hydraulic system, and to check results was also performed a finite element analysis, which allows to find values closer to the natural behavior of the structure since it makes a more punctual analysis on the model, calculating in a variety of mesh points around it, plus a description of the manufacture and assembly of the press in place is made Keywords: Electrohydraulic press design, hydraulic cylinder design, hydraulic system for presses, plate manufacturing with electrohydraulic press.

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INTRODUCCIÓN El creciente uso de automóviles en Colombia ha incrementado la necesidad de placas de identificación vehicular, lo que ha generado una demanda superior a la capacidad actual de uno de los dos fabricantes existentes autorizados por el tránsito de la ciudad de Cali, Fanar S.A. situación que se vuelve una oportunidad para esta compañía. Tal oportunidad surge en tanto se ubiquen alternativas de mejora en la productividad; lo cual se convierte en un desafío para sobreponerse a la situación actual. En ese sentido, a partir de una máquina muy básica ya existente, se tomaron mediciones, con el fin de establecer la tasa de producción esperada por el cliente, para así diseñar y fabricar una nueva prensa, en aras de suplir la demanda de esta pequeña industria, manteniendo así su aporte a la economía local. Antes de la implementación de una nueva prensa, la tasa de producción ha sido de 50 placas por día; se espera, con el nuevo diseño, llegar a una tasa de 80 placas por día. Sin embargo, el resultado no llega a presentarse en este documento, dado que solo va hasta la entrega de la nueva prensa en el sitio de operaciones. Metodológicamente, al tratarse de una investigación aplicada, el proyecto implica el desarrollo de las siguientes siete etapas: Etapa 1: comprende el diseño, planos y cálculos de la estructura de la prensa para selección y lista de materiales. Diseño de piezas mecánicas del sistema, evaluando esfuerzos de Von Mises en los sectores críticos de la estructura. Demostrar que las columnas que soportan el sistema son aptas para el trabajo al que serán sometidas. Demostrar que el embolo del sistema hidráulico soportará el trabajo al que será sometido. Homologar las piezas mecánicas con elementos estructurales encontrados en la industria. Etapa 2: contiene el diseño y materiales para el cilindro hidráulico de doble efecto según requerimientos de trabajo. Etapa 3: contiene selección de los elementos de la unidad de potencia hidráulica como bomba, motor eléctrico, mangueras, válvula de accionamiento, control.

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Etapa 4: cotización de materiales. Etapa 5: Fabricación de estructura según planos. Etapa 6: Ensamble de los componentes de la unidad hidráulica. Etapa 7: Ensamble de todos los componentes, estructura, cilindro hidráulico, unidad de potencia. Al finalizar el proyecto, se pretende cumplir con los requerimientos exigidos por el cliente Fanar S.A.S, alcanzando los objetivos trazados.

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1. JUSTIFICACIÓN El nivel de productividad es uno de los indicadores de desempeño más importantes para una organización, aunque la productividad dependa de varios factores. Uno de ellos, y quizá el más importante, es la tecnología que se utiliza para la elaboración de sus productos en la cadena de producción. En ese sentido, mejorar la productividad significa generar mayores utilidades y poder ser más competitivo en el mercado, ofreciendo productos de alta calidad a precios razonables. A partir de lo dicho, el presente proyecto se justifica en la medida que cumple con la solución a un problema de una compañía local con diseño completamente nacional, soportado en la fundamentación de las ciencias de la ingeniería. De esta manera, se espera que compañías afines, o con procesos, similares aprovechen la ingeniería nacional, especialmente en este ramo que es tan escaso. De igual manera, los resultados del proyecto serán socializados a través del documento escrito, una vez se realicen las pruebas correspondientes y se alcancen las metas exigidas por el propietario de la compañía, en relación a una mayor producción de placas vehiculares con menores defectos de fabricación. Finalmente, la compañía que patrocina el presente proyecto será la directamente beneficiada, dado que, con una pequeña inversión tecnológica, incrementará su productividad y participación en el mercado; así mismo, su realizador se beneficia al poner en práctica sus conocimientos teóricos para la solución de problemas reales del contexto laboral. También se genera un beneficio para la Universidad Autónoma de Occidente, en la medida que se mantienen como una institución educativa que prepara profesionales capaces de aportar al desarrollo de la ciudad, la región y el país.

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2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir una prensa electrohidráulica con capacidad de 50 toneladas. 2.2 OBJETIVO ESPECIFICOS Realizar cálculos estructurales y de estampado que permitan definir los componentes apropiados para el funcionamiento óptimo de la prensa. Considerar los requerimientos de carga del sistema para calcular la potencia de la unidad hidráulica y el control del proceso de estampado. Diseñar y seleccionar, mediante un análisis de ingeniería cada uno de los componentes de la prensa. Seleccionar los diferentes componentes hidráulicos necesarios para el control y funcionamiento de la prensa. Construir la prensa y realizar la puesta a punto del sistema, evaluando la calidad del producto final, acorde con las especificaciones del cliente.

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2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Actualmente, la empresa Fanar S.A.S, dedicada a la fabricación de placas vehiculares para satisfacer el mercado de la ciudad de Cali, cuenta con una tecnología poco competitiva en sus procesos de producción, situación que le impide cumplir a tiempo con una demanda que va en aumento entre sus clientes ya consolidados. Esta situación se presenta principalmente porque la empresa depende de una prensa hidráulica básica para la fabricación de las placas; esta máquina, la cual está diseñada para multiplicar esfuerzos, tiene diferentes mecanismos que integran principios fundamentales de la ingeniería mecánica, de allí que haya sido posible relacionar el bajo nivel de producción con su pobre desempeño. Así pues, dado que la capacidad productiva no es suficiente y la empresa requiere con prontitud ampliar su manufactura, manteniendo la calidad, se recomienda el diseño y construcción de una prensa electrohidráulica, la cual permitirá mejorar la eficiencia del proceso de fabricación de placas vehiculares, mediante un nuevo diseño del sistema oleohidráulico. De igual manera, a través del análisis mecánico durante el diseño, es posible identificar diferentes factores que afecten el funcionamiento del equipo al momento de realizar su trabajo, como: presiones, fuerzas, fluidos en las tuberías, al igual que los principios físicos y las ecuaciones que rigen su funcionamiento. Dado que en la actualidad se tienen prensas hidráulicas estándar con cilindros hidráulicos de simple y doble efecto, es oportuno mencionar que estas no siempre cumplen con los requerimientos especializados de cada empresa, como dimensiones, presiones de trabajo y velocidad del sistema para un proceso eficiente. Ante esta realidad, resulta necesario, en el contexto de la organización mencionada, el diseño y fabricación de una nueva prensa, que se ajuste a sus necesidades y permita el mejoramiento continuo de sus procesos, pudiendo así cubrir eficientemente los pedidos para el mercado local.

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4. ANTECEDENTES

En este punto, resulta oportuno establecer que una prensa hidráulica es básicamente la aplicación del principio de Pascal, esta herramienta “tiene como finalidad lograr la deformación permanente o incluso cortar un determinado material mediante la aplicación de una carga”1; de allí que pueda ser usada para trabajo en frío o en caliente. Su diseño más elemental consiste de un bastidor que sostiene una bancada y un pistón, una fuente de potencia que se encuentra compuesta por un depósito de aceite, que puede ser ISO 68, una válvula limitadora de presión, motor, bomba hidráulica, acoplamiento para el eje del motor y la bomba hidráulica, manómetro para controlar la presión, visor de nivel para el aceite, tuberías y racores de conexión2.

En ese sentido, y considerando la problemática previamente expuesta, se presentan a continuación algunos trabajos relacionados con el diseño y fabricación de prensas hidráulicas, de tal forma que se pueda establecer un fundamento para el desarrollo del proyecto en cuestión.

Para empezar Héctor A. Payan aborda la problemática de la reingeniería en el diseño de una prensa hidráulica para la empresa Construmecan de la ciudad de Cali, con el fin de mejorar la eficiencia de la producción en procesos de doblez de lámina, troquelado, punzonado, y estampado. El proyecto, desarrollado en 2012 buscaba solucionar un problema de limitación de capacidad productiva, de forma que la compañía pudiese ofrecer nuevos servicios en rangos de mayor capacidad de sus procesos; así mismo, se pretendía disminuir los tiempos de ejecución y mantener los parámetros de producción necesarios para ofrecer un producto con mejor calidad. El objetivo principal del proyecto fue el rediseño de la prensa hidráulica identificado “las limitantes que ésta presenta en cuanto a su capacidad de producción, carrera del émbolo y su sistema de accionamiento, con el fin de presentar una alternativa viable para el mejoramiento de los procesos que en ella se realizan”3. Esto se logró a partir de la implementación de un circuito hidráulico, el

1 Prensa hidráulica [en línea]. Cuba: EcuRed, 2017 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: https://www.ecured.cu/Prensa_hidr%C3%A1ulica 2 DUQUE, Jovanny. Electrohidráulica [en línea]. Colombia: Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico, 2007. p. 34 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en: http://www.itsa.edu.co/docs/13-J-Duque-Electrohidraulica.pdf 3 PAYAN, Héctor. Reingeniería a una prensa hidráulica de Construmecam, para mejorar la eficiencia de su producción [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Mecánica. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingeniería, 2012. 11 p. [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: https://red.uao.edu.co/bitstream/10614/5001/1/TME01383.pdf

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cual posibilitó un incremento en la capacidad operativa y la eficiencia, dado que la máquina pudo ser operada de forma automática. Un aporte relevante del proyecto mencionado, radica en que presenta el rediseño de la prensa hidráulica, pudiendo encontrarse los diferentes estudios realizados, los respectivos análisis de las cargas que intervienen en cada una de las piezas, así como el trabajo que realiza la prensa, y conforme a estos parámetros de diseño, se han identificado y seleccionado “los componentes del circuito hidráulico más adecuados para asegurar una mejora de su productividad y eficiencia”4.

Otro proyecto, un poco más antiguo, que aborda el tema de la reingeniería para el diseño de una prensa hidráulica, es el realizado por Edgar A. Ossaa y Marco A. Paniagua, quienes a través de la llamada mecánica forense, identifican el motivo de fallas para una mordaza plana, que presentó falencias en su prensa hidráulica; de esta manera se expone un estudio que establece “de manera adecuada y sistemática las causas de dicha falla con el fin de evitar en un futuro tales incidentes, teniendo en cuenta que estos conllevan a pérdidas materiales y humanas irreparables”5.

En el desarrollo del trabajo mencionado se tuvo en cuenta pruebas fractográficas consistentes en analizar fracturas y propagaciones de grietas; así mismo, se desarrolla un análisis metalográfico para confirmar los materiales que se hallaban y de qué manera estaban distribuidos. Al final se dieron cuenta que “la presencia de grupos de carburos primarios alineados y los concentradores de esfuerzo indujeron la falla prematura de la mordaza”6. Los resultados obtenidos, aportan al presente proyecto una visión sobre las posibles fallas que se deben considerar para la elección de materiales.

Finalmente, otro trabajo enfocado en el diseño de prensas electro hidráulicas, es el de Álvaro E. Bustos y Juan S. Delgado, quienes exponen el diseño de una prensa para obtención de cámaras de vacío por embutido, desarrollado en la empresa Autopartes J.K.A de la ciudad de Bogotá. En dicho estudio se buscó optimizar el proceso de obtención de la cámara de vacío; pues un análisis general en el diseño de la prensa reveló que sus procesos estaban dándose de manera rustica, generando un sobreesfuerzo en el operario y arriesgando su integridad. De esta forma se establece como objetivo principal realizar un “análisis de los esfuerzos principales en los elementos que se encuentran en el bastidor de la

4 Ibíd., p. 12. Disponible en Internet: https://red.uao.edu.co/bitstream/10614/5001/1/TME01383.pdf 5 OSSAA, Edgar. y PANIAGUA, Marco. Análisis de falla de la mordaza plana de una prensa hidráulica [en línea]. En: Revista Facultad de Ingeniería. Junio, 2018, No 44, p. 31 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://www.scielo.org.co/pdf/rfiua/n44/n44a03.pdf 6 Ibíd., p. 30.

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prensa, y la explicación del diseño de cada uno de estos”7. De igual manera, se expone el diseño del sistema electro-hidráulico, diseño de las uniones soldadas y tanque de almacenamiento, entre otros componentes.

Cada uno de los estudios descritos ha realizado aportes al presente proyecto, tanto en metodologías utilizadas, como en la manera de plantear soluciones a problemas derivados de prensas hidráulicas en la industria.

7 BUSTOS, Álvaro. y DELGADO, Juan. Diseño de una prensa para obtención de cámaras de vacío por embutido [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Mecánica. Bogotá: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad de Ingeniería, 2016. 36 p. [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/3389/1/PROYECTO-DE-GRADO-DISE%C3%91O-DE-UNA-PRENSA-PARA-OBTECI%C3%93N-DE-C%C3%81MARAS-DE-VAC%C3%8DO-POR-EMBUTIDO-FINAL.pdf

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5. MARCO TEÓRICO

A continuación, se presentan los referentes teóricos más relevantes tenidos en cuenta para el fundamento del proyecto, vale la pena aclarar que en el proceso fueron considerados otros elementos de la teoría; no obstante, los aspectos aquí mencionados destacan por ser la base que mantuvo integrado todo el desarrollo posterior.

5.1 PRINCIPIO DE PASCAL

El principio de Pascal o Ley de Pascal, se puede sintetizar bajo el siguiente enunciado “la presión ejercida sobre un fluido estático, incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente indeformable, se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido”8. Su formulación fue dada por el físico y matemático francés Baile Pascal, confirmando así las ecuaciones elementales de la hidrostática. En cuanto a su aplicación más común se presenta la prensa hidráulica, tal como se puede apreciar en la Figura 1.

Figura 1. Prensa hidráulica

Fuente: DUARTE, Carlos. y NIÑO. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 4 ed. Bogotá: Ed. Universidad Nacional, 2004. 2-8 p.

La Figura 1, presenta la conformación básica de una prensa hidráulica (tema que será ampliado más delante), la cual está dada por dos cilindros de corte diferente que se comunican entre sí, con el interior lleno de un líquido, que puede ser agua o aceite. Para su funcionamiento, se deben ubicar dos émbolos ajustados a cada cilindro “Cuando sobre el émbolo de menor sección A1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente

8 ÁGUEDA, Eduardo, et al. Sistemas de transmisión de fuerzas y trenes de rodaje 2 ed. España: Ediciones Paraninfo, 2018. 18 p.

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y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección A2”9. Ahora bien, para el desarrollo de los objetivos propuestos, el principio de Pascal está directamente asociado con la presión, entendida como una magnitud escalar, que pone en relación la fuerza con la superficie o área en la que actúa. En ese sentido, se profundiza a continuación sobre este concepto, así como las diferencias que reviste al hablar de presión absoluta y relativa, y presión hidrostática e hidrodinámica. 5.1.1 Presión. En su obra sobre la mecánica de fluidos, Agustín M. Domingo sostiene que “La presión en un punto se define como el valor absoluto de la fuerza por unidad de superficie a través de una pequeña superficie que pasa por ese punto”10. En el sistema internacional su unidad es el Pascal (Pa). En ese sentido, cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:

𝑃 =𝐹

𝐴 (1)

En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como

𝜌 =𝑑𝐹𝐴

𝑑𝐴(𝑛) (2)

Donde n es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. La definición anterior puede escribirse también como:

𝑃 =𝑑

𝑑𝐴∫ 𝑓. 𝑛 𝑑𝑆 (3)

Donde:

f, es la fuerza por unidad de superficie.

n, es el vector normal a la superficie.

9DUARTE, Carlos. y NIÑO. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 4 ed. Bogotá: Ed. Universidad Nacional, 2004. 2-8 p. 10 DOMINGO, Agustín. Apuntes de Mecánica de Fluidos [en línea]. España: Ed. Creative Commos. 2011, p. 8 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en: http://oa.upm.es/6531/1/amd-apuntes-fluidos.pdf

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ds, es el área total de la superficie S.11

5.1.2 Presión absoluta y relativa. Por presión absoluta se entiende aquella que “Toma como medida el cero absoluto y, como su nombre lo indica, por debajo de ella no existe ninguna presión negativa, o sea que todas las presiones son positivas o arriba de cero. Estas mediciones se realizan habitualmente solo para cálculosteóricos”12. La presión la presión absoluta es la presión atmosférica (Pa) más lapresión manométrica (Pm), tal como se aprecia en la siguiente ecuación.

𝑷 = 𝑷𝒂 + 𝑷𝒎 (4)

Entretanto, la presión relativa, según lo expone el portal especializado Ingeniarg, se refiere a la medición de la presión existente sobre la presión atmosférica, de allí que tome como valor cero la presión atmosférica. Así pues, el valor de la presión relativa corresponde a la diferencia entre el de la presión absoluta y el de la presión atmosférica13.

5.1.3 Presión hidrostática e hidrodinámica. Sobre la presión hidrostática Jardón A. et al, sostienen que es básicamente la parte de la presión que se debe al pesode un fluido cuando está en reposo, dado que la única presión que existe en esecaso en la hidrostática. Su cálculo se realiza a través de la siguiente expresión:

𝑃 = 𝑑 × 𝑥 × 𝑔 × ℎ (5)

P= d x g x h

Donde:

P= es la presión hidrostática propiamente dicha, la cual se suele medir en“pascales”. d = es la densidad del líquido o fluido que ejerce presión sobre las paredes de sucontenedor u objetos sumergido en su interior. g= es la aceleración de la gravedad, medida en metros sobre segundo cuadrado.

11 ZACARÍAS, Santiago, et al. Mecánica de Fluidos: Teoría con aplicaciones y modelado. México: Grupo Editorial Patria, 2017. 5 p. 12 Presiones relativas o absolutas ¿cuál es la diferencia? [en línea]. Argentina: Ingeniarg, 2017 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://www.ingeniarg.com/blog/45-presiones-relativas-o-absolutas-cual-es-la-diferencia 13 Ibíd., p. 2. Disponible en Internet: http://www.ingeniarg.com/blog/45-presiones-relativas-o-absolutas-cual-es-la-diferencia

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h= es la altura del fluido que está contenido.14

En cuanto a la hidrodinámica, como su nombre lo indica, remite al estudio del comportamiento de los líquidos cuando estos se encuentran en movimiento; para el caso, Jardón A. et al, remite a los tipos de flujo que pueden darse:

Laminar y turbulento. Es laminar cuando las pequeñas porciones de fluido se mueven ordenadamente, manteniendo una estructura de capas regulares que no se cruzan entre sí, en cambio el flujo turbulento se caracteriza por un movimiento desordenado de las distintas partes del fluido formando muchos remolinos. Un ejemplo de flujo laminar lo tenemos cuando se vuelca miel desde un recipiente y un ejemplo de movimiento turbulento lo tenemos casi en toda vez que vemos un fluido en movimiento, el agua de los arroyos, etc.15

Así pues, los referentes mencionados, son claves en el análisis de la información con la que se desarrolla el diseño y fabricación de la prensa que guía el objetivo general del proyecto desarrollado, así como también el concepto de compresibilidad descrito a continuación.

5.1.3 Compresibilidad. Para Santiago Zacarías, et al., en su análisis de la mecánica de fluidos, la compresibilidad es básicamente “el cambio de volumen que experimenta una sustancia cuando se le aplica un cambio de presión”16. Generalmente, el volumen de un líquido tiene variaciones muy bajas, menores al 1%, ante presiones superiores a 3000l/pulg2. En ese sentido, se habla de fluidos incompresibles a todos aquellos que reciben presiones por debajo de ese valor. Para el caso, la compresibilidad se calcula a través del módulo volumétrico:

𝐸 =−∆𝑝

∆𝑉

𝑉

(6)

14 JARDÓN, Alberto, et al. Hidrostática-hidrodinámica [en línea]. Argentina: Ed. Universidad Nacional de Rosario. 2016, p. 5 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en: https://rephip.unr.edu.ar/xmlui/bitstream/handle/2133/5672/7401-16%20FISICA%20Hidrost%c3%a1tica-Hidrodin%c3%a1mica.pdf?sequence=2&isAllowed=y 15 Ibíd., p. 27. 16 ZACARÍAS, et al. Op. cit., p. 4.

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5.2 GENERALIDADES DE LAS PRENSAS HIDRÁULICAS

Kalpakjian, S. y Schmid, R., consideran a las prensas hidráulicas como máquinas que funcionan a “velocidad constante, están limitadas por la carga. La prensa se detiene si la carga requerida es mayor que su capacidad. Se transfiere una gran cantidad de energía a la pieza, mediante una carga constante durante una carrera cuya velocidad se puede controlar”17. Una ventaja que tienen las prensas hidráulicas, frente a las prensas mecánicas radica en que requieren menos mantenimiento, con lo cual compensan su mayor costo inicial y el ser un poco más lentas en su funcionamiento.

De igual manera, es oportuno mencionar que las prensas hidráulicas suelen tener gran similitud con otro tipo de prensas, difiriendo únicamente en la forma como se acciona su cabezal, dado que puede ser de “puente o cuello de cisne llevando bastidor de fundición o de acero soldado”18. En su funcionamiento, el cabezal se desplaza empujado por un pistón que a la vez es accionado por un fluido al que se le aplica presión dentro de un cilindro. Para su funcionamiento, una prensa hidráulica debe contar con una bomba, conducciones y válvulas de mando para el flujo del aceite, que es el fluido utilizado comúnmente; tal como se mencionaba previamente.

Otra de las ventajas que presentan las prensas hidráulicas, radica en tener un fácil ajuste para la presión del aceite, de esta manera se puede graduar el esfuerzo, aplicando solo el que es necesario, de una manera muy controlada. En ese sentido, una prensa bien elaborada y operada, permite el trabajo a buena velocidad, con un amplio margen de autonomía. Como sostienen Castillo y Domínguez, si bien “antiguamente las prensas hidráulicas eran lentas e incontrolables en su velocidad y en la presión. En la actualidad son autónomas y funcionan por medio de una bomba acoplada directamente y por este motivo son totalmente independientes”19.

17 KALPAKJIAN, Serope. y SCHMID, Steven. Manufactura, ingeniería y tecnología 4 ed. México: Ed Petrince Hall. 2002, 357 p. 18 CASTILLO, Luis. y DOMINGUEZ, Elizabeth. Diseño de un a prensa hidráulica de 40 toneladas de capacidad para procesos de deformación plástica [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Mecánica. Lima: Universidad Tecnológica de Perú. Facultad de Ingeniería Industrial y Mecánica, 2017. 12 p. [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://repositorio.utp.edu.pe/bitstream/UTP/837/6/Elizabeth%20Dominguez_Tesis_Titulo%20Profesi onal_2017.pdf 19 Ibíd., p. 12. Disponible en Internet: http://repositorio.utp.edu.pe/bitstream/UTP/837/6/Elizabeth%20Dominguez_Tesis_Titulo%20Profesi onal_2017.pdf

28

A las ventajas antes mencionadas, se agregan las descritas por Daniel E. Niño y Dora A. Sandoval, quienes exponen las siguientes:

Menor costo de mantenimiento Seguridad de sobrecarga incluida (cuentan con válvula de seguridad). Mayor flexibilidad en control y versatilidad Se puede mantener control de fuerza, carrera, tiempo de trabajo, secuencia

de operación, permitiendo así ventajas de productividad. Fuerza: por el rango de fuerza que manejan, les permite hacer trabajos de

formado, estampado, troquelado y prensado. Nivel de ruido: Es menor que en la mecánica ya que tiene un número menor

de partes móviles20.

5.2.1 Clasificación de las prensas hidráulicas. Si bien la clasificación de este tipo de prensas puede darse según diversos parámetros, a continuación se mencionan tres de las más comunes, entre las cuales se encuentra el diseño elegido para el presente proyecto.

Prensa tipo pilar: son prensas con forma de pilar, que tienen el punto de presiónen el centro y suelen ser utilizadas en proceso de embutido o moldeado; su formapermite al operador desplazarse por tres lados de la prensa, para movilizar elmaterial de trabajo, generalmente manejan hasta 1000 toneladas de presión. LaFigura 2, representa este tipo de prensa.

20 NIÑO, D. y SANDOVAL, Dora. Cálculo y diseño de una prensa hidráulica semiautomática tipo “H” de 100 toneladas para la Empresa Sistemas Innovadores Moldeados y Arquitectónicos, SIMA S.A.S. [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Electromecánica. Colombia: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Escuela de Ingeniería Electromecánica, 2016. 10 p [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: https://repositorio.uptc.edu.co/bitstream/001/2699/1/TGT_1320.pdf

29

Figura 2. Prensa hidráulica tipo pilar

Fuente: NIÑO, D. y SANDOVAL, Dora. Cálculo y diseño de una prensa hidráulica semiautomática tipo “H” de 100 toneladas para la Empresa Sistemas Innovadores Moldeados y Arquitectónicos, SIMA S.A.S. [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Electromecánica. Colombia: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Escuela de Ingeniería Electromecánica, 2016. 10 p.

Prensa de marco C: su nombre está dado por la forma que tienen al momentode ser construidas, básicamente se utilizan para enderezar piezas, no ocupanmucho espacio y generan hasta 300 toneladas de presión. La Figura 2, da cuentade los detalles superficiales de esta prensa.

Figura 3. Prensa de marco C

Fuente: NIÑO, D. y SANDOVAL, Dora. Cálculo y diseño de una prensa hidráulica semiautomática tipo “H” de 100 toneladas para la Empresa Sistemas Innovadores Moldeados y Arquitectónicos, SIMA S.A.S. [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Electromecánica. Colombia: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Escuela de Ingeniería Electromecánica, 2016. 10 p.

Prensa de marco H: este tipo de prensas es muy versátil, teniendo aplicacionesen doblado, perforación, acuñamiento, compactación, entre otras, de allí que haya

30

sido el modelo seleccionado para el desarrollo del proyecto, dadas las necesidades de la empresa en cuestión. En cuanto a la presión que pueden ejercer, se habla de al menos 1500 toneladas, lo cual la ubica como una de las más poderosas. En la Figura 4, se puede apreciar el diseño y controles para esta máquina. Figura 4. Prensa de marco en H, con cabezal desplazable

Fuente: NIÑO, D. y SANDOVAL, Dora. Cálculo y diseño de una prensa hidráulica semiautomática tipo “H” de 100 toneladas para la Empresa Sistemas Innovadores Moldeados y Arquitectónicos, SIMA S.A.S. [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Electromecánica. Colombia: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Escuela de Ingeniería Electromecánica, 2016. 10 p. A continuación, se exponen los detalles relacionados con el diseño de las piezas necesarias para la construcción de la prensa, siguiendo y ampliando los parámetros teóricos aquí expuestos.

31

6. DISEÑO DE LAS PIEZAS CRÍTICAS DE LA ESTRUCTURA DE LAPRENSA ELECTROHIDRÁULICA

Se consideran piezas críticas a aquellas que tendrán que absorber la mayor cantidad de la carga además de esfuerzos generados que se le proporciona a la prensa. Y son las que se van a utilizar para realizar los cálculos correspondientes.

6.1 CÁLCULO DE LA PLACA SUPERIOR

Partiendo del hecho que son 50 Ton que debe soportar la estructura y que estos generan una reacción vertical, se hace necesario calcular las dimensiones necesarias de la platina superior, que es la que soporta el cilindro hidráulico utilizado.

Figura 5. Piezas críticas estructura de prensa hidráulica

Fuente: elaboración propia

Definida la masa total (𝑚𝑇) de 50 ton, equivalente a 490 kN que actuará sobre la estructura, se tiene que el esfuerzo que soportaría cada placa superior (Pos 1) de la Figura 5 sería la carga total dividida entre 2, teniendo como resultado 245 kN.

32

Tenemos el valor de la masa total y gravedad: 𝑚𝑇 = 50 𝑡, 𝑔 = 9,8

𝑚

𝑠2 Entonces obtenemos la fuerza total:

𝐹𝑚𝑇= 𝑚𝑇 ∗ 𝑔 (7)

𝐹𝑚𝑇= 50000 𝑘𝑔 ∗ 9,8

𝑚

𝑠2

𝐹𝑚𝑇= 490 𝑘𝑁

𝐹𝑚𝑇= 490000 𝑁

Debido que son dos platinas las que soportan el cilindro se puede dividir entre dos el valor de la fuerza calculada anteriormente y hacer el cálculo solo para una platina, ya que estas son iguales.

𝐹𝑚𝑇=

490 𝑘𝑁

2

𝑭𝒎𝑻𝟐

= 𝟐𝟒𝟓 𝒌𝑵

Figura 6. Diagrama de cuerpo libre

Fuente: elaboración propia.

Nota: dimensiones en mm.

Debido a que la fuerza está en el centro geométrico, entonces se dice que las reacciones son la carga dividida a la mitad. Con esta afirmación se puede llegar a que:

𝑴𝑨 = 𝑴𝑩 (8)

Se considera una viga empotrada en ambos lados

245kN

33

Se asume también un factor de seguridad de 1.45 para permitir una estructura que sea ligera, que utilice materiales menos costos y que también garantice la seguridad del sistema.

𝑭. 𝑺 = 𝟏. 𝟒𝟓 (9)

- Hallando esfuerzo máximo:

𝑭. 𝑺 =𝑺𝒚

𝝈→ 𝝈 =

𝑺𝒚

𝑭.𝑺→ 𝝈 =

𝟐𝟓𝟎

𝟏.𝟒𝟓→ 𝝈 = 𝟏𝟔𝟗 𝑴𝑷𝒂 (10)

- Hallando la inercia de la sección:

𝑴 =𝑷𝑳

𝟒→ 𝑴 =

𝑷𝑳

𝟖→ 𝑴 =

(𝟐𝟒𝟓)(𝟎.𝟖𝟓𝟎)

𝟖→ 𝑴 = 𝟐𝟔. 𝟎𝟑 𝒌𝑵. 𝒎 (11)

𝑐 = 0.090 𝑚.

𝜎 =𝑀𝑐

𝐼→ 𝐼 =

𝑀𝑐

𝜎→ 𝐼 =

(26030)(0.090)

169𝑥106 → 𝐼 = 1,39𝑥10−5 𝑚4 (12)

- Hallando el espesor de la sección:

𝑰 =𝟏

𝟏𝟐𝒃𝒉𝟑 → 𝒃 =

(𝟏𝟐)(𝟏,𝟑𝟗𝒙𝟏𝟎−𝟓)

(𝟎.𝟏𝟖)𝟑 → 𝒃 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟖 𝒎 (13)

𝒃 = 𝟐𝟖 𝒎𝒎, este espesor garantiza que se cumpla con las condiciones iniciales.

6.2 CÁLCULO DE LAS COLUMNAS

En la estructura se pretende utilizar cuatro columnas hechas de platina de acero A36 con espesor de 19 mm (se asume este espesor con el fin de utilizar la lámina que se encuentra en el inventario, con los cálculos que se van a realizar se descartará si funciona de forma correcta o no), Por lo tanto, la fuerza total se divide entre la cantidad considerada de columnas.

La otra medida de la columna que se necesita es su ancho, como regla se utilizará la siguiente.

𝒂𝒏𝒄𝒉𝒐 = 𝒆𝒔𝒑𝒆𝒔𝒐𝒓 ∗ 𝟖 (13)

34

El resultado obtenido es de 152, teniendo en cuenta la tolerancia que se tiene en el corte, en los cálculos se utilizará un valor de 150. La idea es observar cómo se comporta la columna con estas medidas y tomar una decisión. Figura 7. Cargas en la columna

Fuente: elaboración propia Figura 8. Esquema de columna utilizada en los cálculos

Fuente: elaboración propia La columna se tomará de la forma empotrada-libre.

𝑳𝒆 = 𝟐𝑳 → 𝑳𝒆 = 𝟏𝟑𝟎𝟎. 𝟒 (14) 𝐿 = 650.2

35

Figura 9. Perfil de la columna

Fuente: elaboración propia

- Hallando la relación de esbeltez

Con la relación de esbeltez se pretende conocer qué tipo de columna es para ejecutar los siguientes cálculos.

𝑨 = 𝟐𝟖𝟓𝟎 𝒎𝒎𝟐 (15)

Hallando sobre que eje se pandeará la columna

𝑰𝒛 =𝟏

𝟏𝟐(𝟏𝟓𝟎)(𝟏𝟗)𝟑 → 𝑰𝒛 = 𝟖𝟓𝟕𝟑𝟕. 𝟓 𝒎𝒎𝟒 (16)

𝐼𝑥 = 5343750 𝑚𝑚4 (17)

Con los anteriores resultados se puede deducir que, dado el caso, la columna se pandeará sobre su eje z.

𝑹𝒆 =𝑳𝒆

𝒌 (18)

𝒌 = √𝑰

𝑨 (19)

Donde: 𝑅𝑒 = 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑏𝑒𝑙𝑡𝑒𝑧 𝑘 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑖𝑟𝑜

𝑘 = √85737.5

2850→ 𝑘 = 5.48𝑚𝑚

𝑅𝑒 =1300.4

5.48→ 𝑅𝑒 = 237

Corresponde a una columna larga. Se aproxima a 30 el resultado obtenido.

36

- Esfuerzo crítico para una columna larga 𝝈𝒄𝒓 =

𝑬𝝅𝟐

𝑹𝒆𝟐 → 𝝈 =𝟏.𝟗𝟕𝒙𝟏𝟎𝟏𝟐

𝟓𝟔𝟏𝟔𝟗 → 𝝈 = 𝟑𝟓. 𝟏𝟒 𝑴𝑷𝒂 (20)

- Hallando el factor de seguridad

𝑭. 𝑺 = 𝑺𝒚

𝝈 → 𝑭. 𝑺 =

𝟐𝟓𝟎

𝟑𝟓.𝟏𝟒 → 𝑭. 𝑺 = 𝟕. 𝟏𝟏 (21)

Con el factor de seguridad obtenido se llega a la conclusión que las dimensiones de las columnas son las idóneas para su uso, a nivel estático no fallarán si se mantienen las condiciones de carga requeridas. 6.3 CÁLCULO DE LOS PERNOS 6.3.1 Pernos de la unión columna-placa media. Se decide que se hará unión pernada en la placa del medio de la prensa y las 4 columnas, esto con el fin que más adelante el mantenimiento se dé con mayor facilidad. Para esto se asume lo siguiente: - Se usarán cuatro pernos en cada junta columna-placa, de tal forma que habrá en total 16 tornillos soportando la carga de la prensa por lo tanto cada tornillo soportará 30625 N. Datos: Tornillos de acero AISI 1045 Grado 8 Se utilizaron 16 tornillos en total, por lo tanto, la carga estará igualmente repartida entre estos.

𝑭𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟒𝟗𝟎𝟎𝟎𝟎; 𝑭𝒕𝒐𝒓𝒏𝒊𝒍𝒍𝒐 =𝟒𝟗𝟎𝟎𝟎𝟎

𝟏𝟔= 𝟑𝟎𝟓𝟐𝟓 𝑵 (22)

𝜎 = 413 𝑀𝑃𝑎. Resistencia del acero AISI 1045

37

Figura 10. Esquema de la junta columna-placa

Fuente: elaboración propia

El perno está sometido a cortante simple.

Hallando el nuevo esfuerzo máximo21:

𝑆𝑦𝑠 = 0.577𝜎 → 𝑆𝑦𝑠 = (0.577)(413) → 𝑆𝑦𝑠 = 378.85 𝑀𝑃𝑎 (23)

Se utilizará un factor de seguridad de 2.5.

Hallando 𝝈𝒕:

𝜎𝑡 =378.85

2.5→ 𝜎𝑡 = 151.54 𝑀𝑃𝑎 (24)

Despejamos el área total:

𝑨𝒕 =𝑭

𝝈𝒕 (25)

𝑨𝒕 =𝟑𝟎𝟔𝟐𝟓

𝟏𝟓𝟏. 𝟓𝟒𝑨𝒕 = 𝟐𝟎𝟐. 𝟐𝟖 𝒎𝒎𝟐

A partir de del área obtenida se ajusta el diámetro del tornillo haciendo uso del libro diseño de máquinas (Tabla de Tornillería) 22 se obtiene de esta manera un diámetro comercial aproximado del tornillo requerido para la prensa que sería de ¾”, según la Tabla 1.

21 NORTON, Robert L. Diseño de máquinas, un enfoque integrado: Calcular con la nueva fluencia. 4 ed. México: Pearson. p.733 22 Ibíd., p.727

38

Tabla 1. Dimensiones principales de cuerdas de tornillos del estándar métrico ISO

Diámetro

mayor d (mm)

Cuerdas gruesas Cuerdas finas

Paso P

mm

Diámetro

menor dt (mm)

Área de esfuerzo

por tensión At

(mm2)

Paso P

mm

Diámetro

menor dt (mm)

Área de esfuerzo

por tensión At

(mm2) 16,0 2,00 13,55 156,67 1,50 14,16 167,25 18,0 2,50 14,93 192,47 1,50 16,16 216,23 20,0 2,50 16,93 244,79 1,50 18,16 271,50 22,0 2,50 18,93 303,40 1,50 20,16 333,06 24,0 3,00 20,32 352,50 2,00 21,55 384,42 Área de

esfuerzo por tensión At

(mm2). Calculada

Área de esfuerzo por

tensión At (mm2).

(Estándar según tabla

anterior)

Diámetro mayor

d (mm). (Estándar

según tabla anterior)

Diámetro óptimo seleccionado para el diseño (mm)

Diámetro óptimo seleccionado para el diseño (in)

202.28 244.79 20.0 19.05 3⁄4 " Fuente: NORTON, Robert L. Diseño de máquinas, un enfoque integrado: Calcular con la nueva fluencia. 4 ed. México: Pearson. p.726 El diámetro óptimo para los pernos de esta zona es de 19,05mm porque cumple con el factor de seguridad y se garantiza que no fallará dentro de los ciclos para los que se diseña la prensa electrohidráulica (vida infinita). 6.4 CÁLCULO DE SOLDADURA DE LA PLACA SUPERIOR La soldadura se aplicará en la zona de junta de las columnas con la platina superior, ver siguiente imagen para conocer los detalles.

39

Figura 11. Zona de soldadura

Fuente: elaboración propia

Inicialmente se piensa en solo aplicar la soldadura a lo ancho de las columnas. Datos:

- Largo: 150 mm- Ancho de soldadura: 2 mm

Calculando el área:

𝑨 = 𝟏𝟓𝟎 𝒙 𝟐 → 𝑨 = 𝟑𝟎𝟎 𝒎𝒎𝟐 (26)

El esfuerzo de la soldadura a utilizar es de 440 MPa; dicha información es obtenida de la tabla 1 correspondiente a las especificaciones técnicas de soldadura (E-7018 Ar 1/8 Electrodos) seleccionada para la fabricación de la máquina, y ese será el valor de referencia, el objetivo es tener un factor de seguridad a la soldadura superior a 2.

40

Tabla 2. Especificaciones técnicas de soldadura

Fuente: Soldadura endura E-7018 AR 1/8: Electrodos Endura [en línea] Quito: Disensa. 2018 [Consulado 19 de Septiembre de 2019]Disponible en internet: https://www.disensa.com.ec/soldadura-indura-e-7018-ar-1-8-libra-electrodos/p

𝐹𝑡 = 490 𝑘𝑁 → 𝐹𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 = 122.5 𝑘𝑁

𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 =122500

300 → 𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 = 408 𝑀𝑃𝑎 (26)

𝐸𝑥𝑥 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 (440 𝑀𝑃𝑎)

𝑬𝒙𝒙 = 𝟒𝟒𝟎 𝑴𝑷𝒂. (27)

- Hallando el factor de seguridad:

𝑭. 𝑺 =

𝟒𝟒𝟎

𝟒𝟎𝟖 → 𝑭. 𝑺 = 𝟏. 𝟏 (28)

41

El factor de seguridad no cumple con lo propuesto al inicio de este apartado, por lo que se decide recalcularlo teniendo en cuenta que el cordón de soldadura no solo se hará a lo ancho de las columnas, sino que se hará también a lo ancho de la platina superior (150 mm de cordón, que es la distancia que comparten ambas láminas).

- Largo nuevo: 300 mm

- Ancho de soldadura: 2 mm

𝐴 = 300 𝑥 2 → 𝐴 = 600 𝑚𝑚2

𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 =122500

600→ 𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 = 204 𝑀𝑃𝑎 (29)

𝑭. 𝑺 =𝟒𝟒𝟎

𝟐𝟎𝟒→ 𝑭. 𝑺 = 𝟐. 𝟏𝟔 (30)

Este factor de seguridad cumple con el valor requerido, debe asegurarse que el proceso de soldadura cumpla con la calidad necesaria para que los cálculos realizados tengan validez.

42

7. CÁLCULO DE LOS COMPONENTES HIDRÁULICOS 7.1 CÁLCULO DEL CILINDRO HIDRÁULICO 7.1.1 Calculando los pernos del cilindro Figura 12. Distribución de fuerzas en la tapa del cilindro

Fuente: elaboración propia

𝐹𝑓 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 = 490 𝑘𝑁 𝑭𝒕 = 𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒕𝒐𝒓𝒏𝒊𝒍𝒍𝒐 Debido a que la tapa y los pernos deben quedar en equilibrio para que no se filtre el fluido de trabajo entonces ∑ 𝐹 = 0.

𝐹𝑓 = 4𝐹𝑡 → 𝐹𝑡 =𝐹𝑓

4

- Tornillos de tensión pura:

Hallando el esfuerzo permisible 𝝈𝒕:

Tornillos de acero 4140; σ=656.6 MPa. Se asume un factor de seguridad de 2.2.

𝜎𝑡 =𝜎

𝐹.𝑆 → 𝜎𝑡 =

656.6

2.2 → 𝜎𝑡 = 298.45 𝑀𝑃𝑎 (32)

43

𝜎𝑡 =𝜎

𝐹. 𝑆→ 𝜎𝑡 =

656.6

2.2→ 𝜎𝑡 = 298.45 𝑀𝑃𝑎

𝐹𝑇 = 122500 𝑁;

𝜎𝑡 =𝐹𝑡

𝐴𝑡 (33)

Se despeja 𝐴𝑡

𝐴𝑡 =𝐹𝑡

𝜎𝑡→ 𝐴𝑡 =

122500

298.45→ 𝐴𝑡 = 410.45 𝑚𝑚2

A partir de del área obtenida se ajusta el diámetro del tornillo haciendo uso del libro diseño de máquinas (Tabla de Tornillería)23 obteniendo de esta manera un diámetro comercial aproximado del tornillo

𝑨𝒕 = 𝟒𝟓𝟗. 𝟒𝟏 𝒎𝒎𝟐 → 𝟐𝟕 𝒎𝒎Como se buscan valores comerciales se usa 𝑑 = 25.4 𝑚𝑚 (1𝑖𝑛), con esto se cumple el factor de seguridad y se cumple que las dimensiones del perno sean comerciales.

7.1.2 Calculando el diámetro interior de la camisa del cilindro. Se calcula el diámetro interno de la camisa del cilindro partiendo de la fuerza y presión del sistema hidráulico.

Datos:

𝐹 = 490000 𝑁 → 𝐹 = 110000 𝑙𝑏𝑓

𝑃 = 2200 𝑝𝑠𝑖

Hallando el área:

𝑃 =𝐹

𝐴 → 𝐴 =

110000

2200→ 𝐴 = 50 𝑖𝑛2 (34)

𝐴 =𝜋

4∗ 𝑑2 → 𝑑 = √

4𝐴

𝜋→ 𝑑 = √

4∗(50)

𝜋 (35)

𝒅 = 𝟕. 𝟗𝟖 → d=8

7.1.3 Calculando el espesor de la camisa del cilindro. El acero que normalmente se utiliza para las camisas de cilindros, tiene como referencia Acero DIN 2391, ST – 52.

23 Ibíd., p.126.

44

- Datos: 𝜎 = 640 𝑀𝑃𝑎 Se asume una eficiencia de soldadura de 90% 𝐸 = 90% 𝑃 = 2200 𝑝𝑠𝑖 → 𝑃 = 15.16 𝑀𝑃𝑎 𝑅 = 8 𝑖𝑛 → 𝑅 = 203.2 𝑚𝑚 - Hallando espesor: (con respecto al esfuerzo tangencial, debido a que es el más crítico)

𝑡𝑟 =𝑃∗𝑅

𝑆∗𝐸−0.6𝑃 (35)

𝑡𝑟 = (15.16)(203.2)

(640)(0.9) − 0.6(15.16) → 𝑡𝑟 = 5.43 𝑚

Por cuestiones de estandarización la camisa viene con un espesor de 3

4⁄ " (19.05 mm), así que para su aplicación se cumple que no va a fallar. 7.1.4 Calculando el diámetro del vástago Figura13. Diámetro de vástago

Fuente: elaboración propia

45

El vástago se asume como una columna puesto que en el actúa una fuerza axial, en este caso para efectos de cálculo se decide asumirlo inicialmente como una columna intermedia, con una relación de esbeltez de 90.

- Para columna intermedia:

𝑃𝑐𝑟𝑖

𝐴= 𝑆𝑦 −

1

𝐸(

𝑆𝑦∗𝑅𝑒

2𝜋)

2

(37)

𝑃𝑡𝑟𝑎 = 490 𝑘𝑁 𝐹. 𝑆 =

𝑃𝑐𝑟𝑖

𝑃𝑡𝑟𝑎→ 𝑃𝑐𝑟𝑖 = (𝐹. 𝑆)𝑃𝑡𝑟𝑎𝑏 (38)

𝑃𝑐𝑟𝑖 = (2)(490) → 𝑃𝑐𝑟𝑖 = 980 𝑘𝑁

- Reemplazando en la ecuación (37) el resultado anterior.𝑃𝑐𝑟𝑖

𝐴= 210 −

1

200𝑥103(

210 ∗ 90

2𝜋)

2

980000

𝐴= 164.75

𝐴 =980000

164.75𝐴 = 5948.41 𝑚𝑚

𝑑 = √4𝐴

𝜋→ 𝑑 = √

4(5948.4)

𝜋→ 𝑑 = 87 𝑚𝑚 (39)

- Comprobando si es columna intermedia

𝑘 = √𝜋

4𝑟4

𝜋

4𝑑2

→ 𝑘 = √43.54

872→ 𝑘 = 21.75 𝑚𝑚 (40)

Debido a que se toma como una columna empotrada – empotrada: Le=0.5L

𝐿𝑒 = 0.5(200) → 𝐿𝑒 = 100 𝑚𝑚 (41)

𝑅𝑒 =𝐿𝑒

𝑘 → 𝑅𝑒 =

100

21.75 → 𝑅𝑒 = 4.6 (42)

No corresponde a columna intermedia, debido a que la relación de esbeltez es menor a 30 entonces es una columna corta.

46

- Corrigiendo:

𝐹. 𝑆 = 2 𝜎 =

𝐹

𝐴 → 𝐴 =

𝐹

𝜎 (42)

𝜎 =𝜎𝑦

𝐹.𝑆 → 𝜎 =

210

2 → 𝜎 = 105 𝑀𝑃𝑎 (43)

𝐴 =490000

105 → 𝐴 = 4666.6 𝑚𝑚2

𝑑 = √4𝐴

𝜋 → 𝑑 = √

4(4666.6)

𝜋 → 𝑑 = 77.08 𝑚𝑚 (44)

7.1.5 Calculando el espesor del pistón. Se calcula el espesor del pistón con un acero Aisi 1020 HR con resistencia a la fluencia de 210 MPa, dado que se asume un factor de seguridad de 2, el valor del esfuerzo para los cálculos del espesor será el esfuerzo de fluencia dividido entre el factor de seguridad, teniendo como resultado un esfuerzo máximo de 105 MPa. El diámetro exterior del pistón corresponde al diámetro interno de la camisa igual a 203,2mm (8 in). 𝑃 = 2200 𝑝𝑠𝑖 → 𝑃 = 15.16 𝑀𝑃𝑎 𝑟 = 4 𝑖𝑛 → 𝑟 = 101.6 𝑚𝑚 𝐹. 𝑠 = 2 Según lo expone Héctor Cardelino 24

𝜎𝑚𝑎𝑥 =3𝑃𝑟2(1+𝛾)

8𝑡2 (45) Datos del portal Urssa sobre aceros especiales25

105 =3(15.16)(101.62)(1 + 0.28)

𝑡2 → 105 =

600291.6

𝑡2

𝑡 = √600291.6

105 → 𝑡 = 75.6 𝑚𝑚

Retomando lo expuesto por Marcs Stell26

24 CARDELINO. Héctor. Tubos de acero para camisas de cilindros hidráulicos.[ en línea] España: hectorcardelino.S.A.2018 [Consultado 20 de Mayo de 2018[ Disponible en internet: http://www.hectorcardelino.com/productos-4/hector-cardelino-s-a--casa-del-reten--el-mundo-de-la-goma-/tubos-de-acero-para-camisas-de-cilindros-hidraulicos 25 Equivalencias aproximadas entre normas [ en línea] España: Urssa Aceros especiales.2018 [Consultado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: https://www.acerosurssa.es/es/content/14-equivalencias-aproximadas-entre-normas 26 STELL, Marcs. DIN 2391 ST52 Carbón steel pipes manufacturer [en línea] España: marcsteelindia.2018 [Consultado 23 de abril de 2018] Disponible en internet: https://www.marcsteelindia.com/din-2391-st52-pipe-tube-manufacturer-supplier/

47

7.2 CÁCULO DEL CAUDAL DE LA BOMBA

Dentro de los requerimientos del cliente se encuentra una velocidad de 4.5 mm/s, por lo que se calculará el caudal y se seleccionará la bomba de acuerdo a estos cálculos.

Se pasa de pulgadas cuadradas a metros cuadrados.

𝐴 = 50 𝑖𝑛2 → 𝐴 = 50 𝑖𝑛2 𝑥 25.42𝑚𝑚2

𝑖𝑛2→ 𝐴 = 32258 𝑚𝑚2

𝐴 = 32258 𝑚𝑚2 𝑥 1 𝑚2

10002𝑚𝑚2→ 𝐴 = 0.032 𝑚2

𝑣 = 4.5 𝑚𝑚

𝑠 𝑥

1 𝑚

1000 𝑚𝑚→ 𝑣 = 4.5𝑥10−3 𝑚

𝑠

Se calcula el caudal y se hace la respectiva conversión a litro por minuto. 𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴 → 𝑄 = (4.5𝑥10−3)(0.032) → 𝑄 = 1.44𝑥10−4

𝑚3

𝑠 (46)

𝑄 = 1.44𝑥10−4 𝑚3

𝑠𝑥

1003𝑐𝑚3

1 𝑚3→ 𝑄 = 144

𝑐𝑚3

𝑠

𝑄 = 144 𝑐𝑚3

𝑠 𝑥

1 𝐿

1000 𝑐𝑚3→ 𝑄 = 0.144

𝐿

𝑠→ 𝑄 = 0.144

𝐿

𝑠𝑥

60 𝑠

1 𝑚𝑖𝑛

𝑸 = 𝟖. 𝟔𝟒 𝑳

𝒎𝒊𝒏

Se utilizará una bomba hidráulica marca Roquet, y al hacer la selección en su catálogo se encuentra que la bomba idónea es la que tiene referencia L y tiene un caudal de 9 L/min. Con esto queda perfecto el cálculo y la selección. Esta bomba pertenece al grupo 127.

7.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA CONSUMIDA POR LA BOMBA

Con este cálculo se pretende conocer el motor que permitirá dar el caudal a nuestra bomba.

27 ROQUET, Pedro. Bombas y motores. [ en línea] Bogotá: pedro-roqur.2018. [ Consultado 18 de abril de 2018. Disponible en internet: https://www.pedro-roquet.com/baixades/bombas-pumps_l_-_bi.02.03.03-07.171.pdf)

48

𝐻𝑃 =𝑄(

𝑔𝑎𝑙𝑚𝑖𝑛⁄ )∗𝑃( 𝑝𝑠𝑖 )

1714∗𝑛 (47)

𝐻𝑃 =(2.38)(2200)

1714 ∗ (0.9)

𝑯𝑷 = 𝟑. 𝟑𝟗 𝑯𝑷

Debido a que no hay motor de 3.39 HP, entonces se utilizará un motor de 5 HP y con esto garantizamos que la bomba entregará el caudal necesario.28

28 Motor Eléctrico trifásico. [en línea] Argentina: Totaline.2018.[ Consultado 16 de Mayo de 2018 [Disponible en internet: https://www.totaline.com.ar/wp-content/uploads/2016/08/28-Cat%C3%A1logo-Motores-Weg.pdf

49

8. SELECCIÓN DE ELEMENTOS HIDRÁULICOS

Para el correcto funcionamiento de la prensa electro hidráulica es necesario contar con los elementos óptimos. Una vez que se han diseñado el pistón y sus partes, y que se ha seleccionado la unidad de potencia se procede a seleccionar los elementos hidráulicos.

Figura 14. Esquema hidráulico

Fuente: elaboración propia

8.1 BOMBA HIDRÁULICA DE ENGRANAJES

Tal como se expone en el portal de Automatización Industrial las bombas hidráulicas son de los componentes más importantes para una prensa “y constituye un campo muy complejo ya que se construyen en varios modelos y tamaños, con muchos y diferentes mecanismos de bombeo, a la vez que para múltiples y numerosos propósitos” 29.No obstante, son las bombas hidrostáticas las que representan mayor importancia para el proyecto, puesto que permiten establecer una cantidad determinada de flujo, requiriendo para ello una válvula de seguridad que proteja al sistema de sobrecargas.

29 Bombas Hidráulicas (1): Introducción [en línea] México: Automatización Industrial. 2018. [ Consultado 16 de mayo de 2018. Disponible en internet: http://industrial-automatica.blogspot.com/2011/07/bombas-hidraulicas-1-introduccion.html

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La durabilidad de la bomba estará determinada, por el uso de filtros adecuados de aspiración (100-150 micras), así como filtros de presión que sean al menos de 25 micras; desde luego, siempre se deben seguir las recomendaciones dadas por el fabricante, al momento de elegir el aceite a utilizar30. En ese sentido, se utiliza una bomba de engranajes que consta de dos piñones cilíndricos rectos, uno de ellos conductor y el otro conducido por éste, que giran dentro de un cuerpo de bomba muy ajustado. El líquido que penetra en la máquina por la aspiración es succionado al girar los piñones, atrapado entre los dientes y el cuerpo de las bombas y obligado a circular periféricamente con los piñones hasta la descarga. En la siguiente figura pueden verse las partes y curvas características de una bomba de engranajes comercial, que facilita el caudal y la potencia absorbida en función de la presión y revoluciones por minuto. Se recuerda que la potencia absorbida es igual al caudal por la presión dividido por el rendimiento. La bomba seleccionada es entonces de referencia 1-9D-10R 8.2 FILTRO DE SUCCIÓN HIDRÁULICO Según lo expone el portal Hidráulica y Neumática “Los filtros de succión hidráulicos son instalados en la línea de bombeo para prevenir que las bombas o sistemas sufran daños por absorción de contaminantes en el fluido y para extender su vida útil”31. También se recomienda que todo el sistema oleo hidráulicos se encuentre limpio, sin impurezas o contaminantes; teniendo en cuenta que los mecanismos internos de la boba son delicados y susceptibles a daños con la suciedad. En la Figura 15, se pueden apreciar los detalles del filtro, acompañados de algunas características relevantes y los detalles de la selección final en la Tabla 3.

30 Ibíd., p. 1. Disponible en internet: http://industrial-automatica.blogspot.com/2011/07/bombas-hidraulicas-1-introduccion.html 31 Filtros de succión [en línea] Bogotá: Hnsa. 2018. [ Consultado 16 de mayo de 2018. Disponible en internet: http://www.hnsa.com.co/filtros-de-succion/

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Figura 15. Características del filtro y la selección final

Fuente: Filtros de succión [en línea] Bogotá: Hnsa. 2018. [ Consultado 16 de mayo de 2018. Disponible en internet: http://www.hnsa.com.co/filtros-de-succion/ Detalles asociados: Norma: ISO 9001

Para montar en la succión de las bombas dentro de los depósitos.

Caudal de 8 a 600 Lts/min.

Filtración estándar 149 μm.

Rango de temperatura de -40 a +80ºC

Puede ser utilizado con aceites minerales, sintéticos y líquidos refrigerantes.

Tabla 3. Selección de filtros de malla de acero inoxidable

Fuente: Filtros succión [en línea] Argentina: Verion.2018 [Consulado 02 de Junio de 2019] Disponible en internet: http://www.verion.com.ar/images/productos/filtros/C_FILTROS.pdf

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Se utilizará la referencia FSS – 010, con el caudal de 40 L/min, y el acople de 1”. Este cumple con las especificaciones necesarias, teniendo el flujo de aceite impecable. Este filtro posee malla de acero inoxidable. 8.3 CAMPANA HIDRÁULICA La campana permite el montaje adecuado entre motor y bomba hidráulica, teniendo en cuenta que la bomba seleccionada pertenece al grupo 1, así mismo debe seleccionarse la campana para que esta corresponda con el tamaño de la brida. Referencia de campana CA0006 Figura 16. Campana hidráulica

Fuente: elaboración propia Tabla 4. Selección de campana hidráulica

Fuente: Medidas Campanas [en línea] Bogotá_ Hidráulica Rogimar. 2018 [Consultado 02 de Junio de 019] Disponible en internet: http://www.hidraulicarogimar.com/pdf/CA0009.pdf

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En la descripción de la tabla se hallan las referencias de acuerdo a la potencia del motor que se va a utilizar. Como la potencia que se va a utilizar es de 5 hp entonces se selecciona la campana con código CA0006 que permite una bomba de grupo 1 y una potencia de 3 a 5.5 CV (la potencia del motor que se seleccionó en CV es de 5.069).

8.4 ACOPLE MOTOR – BOMBA

El acople se selecciona de acuerdo al torque y al grupo de la bomba, esto con el fin de que no se presenten daños tanto en los ejes como en el mismo acople, ver figura17.

Figura 17. Esquema acoplamiento

Fuente: Medidas de acoplamiento [en línea] Bogotá_ Hidráulica Rogimar. 2018 [Consultado 02 de Junio de 019] Disponible en internet: http://www.hidraulicarogimar.com/pdf/AM0007.pdf

8.4.1 Características

- Referencia: HE28

- Uso previsto: Para motor y bomba hidráulica.

- Material: Fundición de aluminio.

- Tipo de fijación: Por elastómero (nitrilo).

- Par: Mín.: 6,86 N.m Máx.: 725 N.m

- Velocidad de rotación: 1.800 rpm.

El elastómero además de transmitir el movimiento entra las partes hace las veces de fusible cuando se presenta sobrecarga o atascamiento, protegiendo la bomba y el motor.

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8.5 VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN Esta válvula también hace las veces de mando hidráulico, se utiliza para no depender de una electroválvula, es decir, realizar la acción de forma manual. 8.5.1 Características

- Referencia de la Válvula: HDM 140 - Capacidad nominal de flujo: 40 L/min. - Presión máxima de entrada: 3600 psi. - Presión máxima de salida: 4600 psi. - Presión máxima de retorno a tanque: 430 psi. - Temperatura de aceite: -10°C a 80°C.32

8.6 MANGUERAS HIDRÁULICAS Referencia Manguera 301SN-8 Tabla 5. Tabla de selección de mangueras

Fuente: Manguera hidráulica terminales y equipo [en línea] Ia:Parker.2018 [ Cosultado05 de Mayo de 019] Disponible en internet: https://www.parker.com/Literature/Hose%20Products%20Division%20Europe/Literature_2014/Catalogs/CAT_4400_ES_2018_02.pdf

32 Monoblock Directional Valves, series Hdm [en línea] usa: bucherhydraulics.s.f. [ Consultado 05 de Febrero de 2019] Disponible en internet: https://www.bucherhydraulics.com/docs/index.aspx?id=47533&domid=1017&sp=e&m1=30969&m2=44712&m3=30973&m4=46915&m5=47077&m6=47515&m7=47521&m8=47533

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Se selecciona la manguera con la referencia 301SN – B que nos permite soportar una presión máxima de 4000 psi. De acuerdo al caudal, el tamaño ideal es de ½”, una manguera de mayor diámetro requiere mayor volumen de aceite y una válvula de mayor diámetro para mover más caudal. 8.7 TUBERÍA MILIMÉTRICA Esta tubería se utiliza en la salida de la unidad de potencia y en la salida del cilindro hidráulico para la instalación de la válvula limitadora de presión. Tabla 6. Selección de la tubería

Fuente: Tubería milimétrica (tubing) [en línea] Bogotá: hnsa.2018 [Consultado 23 de Mayo d 2019] Disponible en internet: http://www.hnsa.com.co/tuberia-milimetrica/ La tubería utilizada es de 10 mm y 1.5 mm de espesor que permite soportar los rangos de presión que se manejan en la máquina. Y de igual forma que en las mangueras se tiene en cuenta que no queden sobre dimensionadas con respecto al caudal. 8.8 ACEITE HIDRÁULICO El aceite a emplear deberá ser de tipo hidráulico antiespumante con una viscosidad comprendida entre 150y 225 SSU a 100°F. El aceite más recomendable a utilizar es el Shell Tellus ISO 68 o un equivalente en su defecto. Para el buen rendimiento del sistema, es necesario que el sistema no contenga impureza alguna, por lo que deberá filtrarse previamente antes de verterlo al depósito de la máquina.

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9. SELECCIÓN DE ELEMENTOS ELECTRICOS La máquina debe ser alimentada por una red trifásica de 440V, 60 Hz, para la instalación de un motor de 5 hp a 1800 rpm. Es totalmente imprescindible respetar el sentido de giro del motor que va indicando convenientemente en el grupo motor-bomba, la primera pulsación de arranque del motor, deberá durar un instante solamente, justo para validar que el sentido de giro es correcto. En caso de giro incorrecto, inviértase las fases de conexión. 9.1 ARRANCADOR SUAVE Se utiliza este arrancador suave, dispositivo que permite controlar el arranque y parada del motor, ayudando a proteger el motor y contribuyendo al ahorro de energía. El arranque a plena tensión conlleva a picos de tensión que puede generar costos por sobrecarga de la red eléctrica y por los esfuerzos en los accionamientos mecánicos. Figura 18. Contactor marca Chint

Fuente: Catálogo de productos Hansa [ en línea} Bolivia: Hansa.2018 [Consultado 04 de Enero de 2019] Disponible en internet: http://hansaindustria.com.bo/Catalogos/cat_rev/catalogos/pdf/chint.pdf La referencia seleccionada del contactor a utilizar es el NC6 – 6, porque este permite el rango de trabajo de la corriente consumida por el motor. 9.1.1 Características. Esta serie de contactores presenta un diseño compacto, son livianos y tienen bajo consumo de energía, ofrecen larga vida útil, operación confiable y segura. Fijación por medio de tornillos o riel DIN estándar de 35 mm. El

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núcleo magnético del contactor y la dirección de movimiento de los contactos son paralelos a la placa.

9.1.2 Información general

• Certificaciones: CE, VDE, UKrSEPRO, GOST, UL• Rango eléctrico: AC50/60Hz, hasta 690V, hasta 9A.• Aplicación: son aplicables para apertura y cierre de circuitos remotamente,protección de circuitos de sobrecarga, tiene su propio relé térmico para suensamblado.• Categoría de utilización: AC-1, AC-3, AC-4.• Rango de temperaturas ambiente: -5 °C ~ +40 °C.• Categoría de montaje: III.• Condiciones de montaje: inclinación de montaje plano y en plano vertical no debeexceder los ±30°• Normas: IEC/EN 60947-4-1

Tabla 7. Ficha técnica contactor NC6

Fuente: Catálogo de productos Hansa [en línea] Bolivia: Hansa.2018. [Consultado 04 de Enero de 2019] Disponible en internet: http://hansaindustria.com.bo/Catalogos/cat_rev/catalogos/pdf/chint.pdf

9.2 MOTOR ELÉCTRICO El motor utilizado es de 5 hp, a 1800 r.p.m de acuerdo a la potencia consumida por la bomba. (Ver anexo D para conocer la ficha técnica del mismo).

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10. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA EN SOLIDWORKS Una vez que se ha realizado todo el estudio a mano de las partes críticas de la estructura y también de la selección de los componentes hidráulicos, se procede a hacer un estudio por elementos finitos de la estructura simulando como se comportaría todo el conjunto con las cargas establecidas. 10.1 RESULTADOS DE ANÁLISIS ESTÁTICO 10.1.1 Propiedades de Estudio Tabla 8. Propiedades de estudio.

Nombre de estudio Análisis estático 1 Tipo de análisis Análisis estático Tipo de malla Malla mixta Efecto térmico: Activar Opción térmica Incluir cargas térmicas Temperatura a tensión cero 298 Kelvin Tipo de solver Direct sparse solver Opciones de unión rígida incompatibles Automático Calcular fuerzas de cuerpo libre Activar

Fuente: elaboración propia Debido a que en Solidworks es necesario definir previamente un contexto de carga estática, para posteriormente ejecutar un análisis de fatiga; entonces se procedió a plasmarlo en el actual documento. Tabla 9. Propiedades de Estudio Unidades

Sistema de unidades: Métrico (MKS) Longitud/Desplazamiento mm Temperatura Kelvin Velocidad angular Rad/seg Presión/Tensión N/m^2

Fuente: elaboración propia

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Tabla 10. Cargas y sujeciones Nombre de

sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Fijo-1

Entidades: 8 cara(s) Tipo: Geometría fija

Nombre de carga

Cargar imagen Detalles de carga

Fuerza-1

Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal

Valor: 490.000 N

Fuerza-2

Entidades: 4 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal

Valor: 490.000 N

Fuente: elaboración propia Tabla 11. Información de contacto

Contacto Imagen del contacto Propiedades del contacto

Contacto global

Tipo de unión: rígida

Fuente: elaboración propia

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Tabla 12. Información de malla

Fuente: elaboración propia 10.2 FUERZAS RESULTANTES 10.2.1 Fuerzas de reacción. Los detalles relacionados se sintetizan en la Tabla 13. Tabla 13. Fuerzas y momentos de reacción Conjunto de selecciones

Unidades Sum X Sum Y Sum Z Resultante

Todo el modelo N 0,000312328 0,0128927 0,00481749 0,0137669 Conjunto de selecciones

Unidades Sum X Sum Y Sum Z Resultante

Todo el modelo N.m 0 0 0 1e-33 Fuente: elaboración propia

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Figura 19. Esfuerzos de Von Mises

Fuente: elaboración propia

En la Figura 19., se pueden apreciar los esfuerzos de Von Mises calculados mediante el módulo de elementos finitos del software Solidworks, podemos observar que, aunque el esfuerzo máximo se acerca al límite de fluencia del material del que está compuesta la estructura (Acero AISI A36), que es aproximadamente 250 MPa y se muestra en los resultados el esfuerzo máximo aplicado a la estructura con un valor de 165 MPa, de esta forma se garantiza que el sistema es confiable y se eliminan posibles fuentes de falla.

Entre tanto, en la Figura 20., se pude observar que las mayores deformaciones se encuentran en la platina superior donde se genera la reacción de la fuerza ejercida por el cilindro, la mayor deformación es de 0,5mm, esta deformación es muy pequeña y la placa puede recuperar su forma inicial por que el esfuerzo se encuentra por debajo de la zona de fluencia. También podemos deducir que no habrá grandes vibraciones puesto que la fuerza actúa de forma axial permitiendo que el sistema se pueda recuperar rápidamente.

Nombre Tipo Mín. Máx. Tensiones1 VON: Tensión de Von

Mises 0,000e+00 N/m^2 Nodo: 37998

1,653e+08 N/m^2 Nodo: 5415

PRENSA-Análisis estático 1-Tensiones-Tensiones1

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Figura 20. Deformación de la estructura Nombre Tipo Mín. Máx. Desplazamientos1 URES: Desplazamientos

resultantes 0,000e+00 mm Nodo: 3493

5,184e-01 mm Nodo: 1018

PRENSA-Análisis estático 1-Desplazamientos-Desplazamientos1

Fuente: elaboración propia Así mismo, la Figura 21., permite reconocer que, que el factor de seguridad garantiza el correcto funcionamiento de la estructura, puesto que el mínimo factor de seguridad descrito se encuentra en la base de la estructura es de aproximadamente de 1,51, por otro lado, el máximo factor de seguridad es supremamente alto superando 100%, por tal motivo se puede confirmar que la estructura soporta las fuerzas a los que se verá sometido en su trabajo diario.

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Figura 21. Factor de seguridad estático Nombre Tipo Mín. Máx. Factor de seguridad1 Automático 1,513e+00

Nodo: 5415 1,000e+16 Nodo: 37998

PRENSA-Análisis estático 1-Factor de seguridad-Factor de seguridad1 Fuente: elaboración propia

10.3 RESULTADOS DE ANÁLISIS POR FATIGA

Una vez que se han obtenido los resultados estáticos, entonces se procede a realizar el análisis por fatiga. Claramente toda la estructura estará a carga fluctuante durante todo el funcionamiento de la prensa.

En la Figura 22., se nota que en general la estructura no padece de daño alguno; sin embargo, los lugares críticos que se señalan son las uniones de la platina superior a las columnas, lo cual nos dice que se debe utilizar una buena soldadura (una buena opción sería la soldadura de electrodo revestido E-7018 Ar 1/8, por que posee una alta resistencia aproximadamente de 70 ksi, además del lugar de los pernos. Sin embargo, esto se debe principalmente a la configuración inicial donde se le da una precarga.

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Figura 22. Daño

Fuente: elaboración propia Tabla 14. Especificaciones técnicas electrodo revestido E-7018 Ar 1/8

Fuente: Soldadura endura E-7018 AR 1/8: Electrodos Endura [en línea] Quito: disensa.2018 [Consulado 19 de Septiembre de 2019]Disponible en internet: https://www.disensa.com.ec/soldadura-indura-e-7018-ar-1-8-libra-electrodos/p

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Figura 23. Vida

Fuente: elaboración propia La Figura 23, parte de considerar que la vida infinita se toma en 106 ciclos, de donde se puede inferir en general la vida de la estructura cumple con este parámetro de diseño, ya que la estructura en su mayor parte tiene una vida aproximada de 1.344x106 ciclos. Nuevamente las zonas que corresponden a los pernos tienen una vida menor de 3x104 ciclos, por tal razón se sugiere el cambio de pernos cada 4 años de acuerdo a la frecuencia de trabajo de la máquina, esto se debe a la carga aplicada del cilindro en donde los pernos se encuentran sometidos a cortante simple. 10.4 FABRICACIÓN Después de concluido el proceso de diseño conceptual, se establecen los parámetros para la construcción de la prensa, para esto se tienen en cuenta que se necesitan herramientas especializadas para el mecanizado y ensamblado final del instrumento. Teniendo en cuenta que la máquina que se desea construir debe ser un instrumento de precisión, debido a que habiendo evaluado los esfuerzos a los que será sometida, podemos observar que cualquier desviación de la aplicación de la fuerza ejercida por el cilindro hidráulico, generará en los componentes receptores

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una sobreexposición a esfuerzos, que podrían representar fallas futuras deformando o fisurando los componentes mecánicos de la prensa, además de ser una herramienta utilizada para la elaboración de placas de automóviles, que deben cumplir con requisitos de estandarización en cuanto a las medidas exteriores, tamaño de letra y distanciamiento entre los caracteres expuestos en estas. Para el proceso de fabricación se tuvieron en cuenta 4 etapas, en las que se trabajaron después de realizar las respectivas cotizaciones de material y proceso de construcción de la máquina, es importante tener en cuenta que las empresas que prestan este servicio, por lo general asumen el costo del material, ya que cuentan con este en su almacén o tienen relaciones comerciales muy beneficiosas con los proveedores, otra variable importante a la hora de fabricar una máquina es buscar un taller en donde se puedan realizar todas las labores de fabricación y montaje, ya que esto reduce costos relacionados a reprocesos y transporte de las piezas de taller a taller. Las etapas de fabricación tenidas en cuenta son las siguientes: Elaboración de planos de fabricación Proceso de mecanizado de las piezas mecánicas. Ensamble mecánico (soldadura y ajuste mecánico). Ensamble con componentes hidráulicos. 10.4.1 Elaboración de planos de fabricación. Para la elaboración de los planos se tiene en cuenta la memoria de cálculo presentada en el proceso de diseño conceptual de la máquina, ya que esto nos define el tipo de material, geometría y disposición de todas las piezas incluidas en el modelo de la máquina, además del tipo de unión entre estas y las especificaciones de juntas para el futuro ensamblaje. El primer plano define la constitución completa del proyecto, en este plano se define el ensamble total del instrumento (modelo estructural), este plano es importante para comprender el objetivo del proyecto y es un referente importante en el proceso de montaje de la máquina. Para este plano se tiene en cuenta el espacio físico que ocupara la máquina, haciendo una estimación del espacio de trabajo en donde se montara la estructura.

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Figura 24. Ensamble estructural

Fuente: elaboración propia

En el plano presentado en la Figura 24., se detallan todas las piezas, para que sea más fácil el reconocimiento de los siguientes planos.

10.4.2 Proceso de mecanizado de las piezas mecánicas. En consecuencia, del plano general de la estructura mecánica, se procede a hacer planos de detalle de cada una de las piezas que se encuentran nombradas en el ensamble general, estos planos son distribuidos en procesos de mecanizados específicos, ya que las piezas necesitan ser procesadas con ayuda de diferentes máquinas, por lo tanto los planos referidos tendrán que contener información de los procesos requeridos para su construcción, además de contener distancias referidas a los centros de cada pieza para facilitar la toma de medidas por el operario, estas distancias tendrán que tener

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información precisa de la poción de agujeros, dobleces, roscas, etc. los planos realizados para la fabricación de las piezas son los siguientes: Figura 25. Esquema de fabricación de piezas

Fuente: elaboración propia Las piezas que no se muestran en el plano de la Figura 25., son generalmente piezas con cortes rectos que solo necesitan ser definidas en distancias, para proceder al corte de las mismas, es importante a la hora de diseñar una estructura metálica, considerar el número de procesos a los que se verá enfrentado el operario a la hora de generar la pieza, ya que se vuelve un trabajo engorroso además de incrementar los costos de la fabricación, por hora hombre y hora máquina. Para este instrumento fue necesario involucrar procesos de: corte por cizalla (para corte rectos en láminas) este instrumento permitía cortar laminas con un espesor de 1”; corte con oxicorte (para piezas generadas con elementos estructurales convencionales, vigas u ángulos); corte con pantógrafo (para cortes de alta precisión), taladrado (para generación de agujeros ubicados en las juntas). Los planos e pueden consultar con mayor detalle en los anexos.

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10.5 ENSAMBLE MECÁNICO (SOLDADURA Y AJUSTE MECÁNICO)

El siguiente plano fue el del ensamble de la estructura, en este plano se puede apreciar el tipo de todas las piezas, además de dar una información detallada de tipo de soldadura involucrada en el proceso de armado.

Figura 26. Detalle de soldaduray juntas

Fuente: elaboración propia

10.6 ENSAMBLE CON COMPONENTES HIDRÁULICOS

Ya habiendo construido la base estructural de la máquina, se procede a montar los elementos hidráulicos, estos se apoyarán en la estructura, por lo que fue importante montarlos de forma alineada y ordenada, con la intención de no perturbar la estructura creando esfuerzos residuales. Los instrumentos hidráulicos fueron escogidos después de hacer los cálculos de trabajo con base al modo de trabajo de la máquina. Los fabricantes de instrumentos hidráulicos los construyen genéricos, ya es responsabilidad del diseñador seleccionar el que mejor se comporte con respecto a las condiciones de trabajo requeridas, para esto es necesario siempre escoger instrumentos con una capacidad igual o superior a la requerida y de esta manera evitar daños en este, además de no realizar las tareas requeridas con eficiencia.

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Figura 27. Ensamble con componentes hidráulicos

Fuente: elaboración propia Para concluir la fabricación de la máquina se procedió al traslado e instalación en el puesto de trabajo, para este objetivo se requirió emplear un camión pequeño con capacidad de 1ton, el instrumento fue ensamblado en el taller además de ser probado antes de enviarlo a las instalaciones del cliente. Al comprobar el correcto funcionamiento de la máquina se procedió a proteger los componentes hidráulicos y la pintura de la estructura. El levantamiento se realizó con ayuda de un montacargas que procedió a levantar la estructura desde la base, y la ubicó recostada sobre el lado derecho del volco del camión, al llegar al sitio de entrega se procedió a bajarla y ubicarla en su lugar de trabajo, se hizo un chequeo de estado de la estructura y se verificó su funcionamiento, posterior a esto se firma la entrega y se garantiza un chequeo posterior como posventa.

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11. EVALUACION DE COSTOS Tabla 15. Presupuesto del proyecto

COSTO

DESCRIPCIÓN UAO PROPIO

Materiales de la estructura $ 0 $ 3.000.000

Materiales cilindro hidráulico $ 0 $ 3.500.000

Unidad de potencia hidráulica $ 0 $ 5.000.000

Mangueras, racores, Soldadura

$ 0 $ 700.000

Mano de obra soldadura y mecanizado

$ 0 $ 4.000.000

Transporte de la prensa $ 0 $ 500.000

Transporte particular $ 0 $ 200.000

Honorarios orientador $1.500.000 $ 0

Papelería $ 0 $ 150.000

Imprevistos $ 0 $ 450.000

TOTAL COSTO FABRICACION $1.500.000 $17.500.000

Fuente: elaboración propia

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12. CONCLUSIONES Cabe resaltar que la experiencia en el campo de acción, permitió la selección de los componentes idóneos para esta prensa, y los conocimientos adquiridos en ingeniería durante todo el tiempo de estudio permitieron diseñar una estructura con dimensiones adecuadas para permitir un tiempo de operación longevo, pero evitando los sobredimensionamientos que finalmente terminan en sobrecostos. Una vez se terminó la puesta a punto de la prensa en el lugar de trabajo, se llega a la conclusión que los principios teóricos de la hidráulica, se emplean a la perfección en la práctica. Mediante la observación del funcionamiento de la máquina se logró corroborar los avances precisos del pistón. Es necesario hacer esta observación debido a que, en la industria en muchas ocasiones, la teoría diverge de la práctica por múltiples variables que no se logran cuantificar. De igual forma, se evidenció que las herramientas de simulación virtual son útiles a la hora de analizar sistemas complejos, pero por su condición de herramientas son susceptibles a generar errores con base al desconocimiento teórico del usuario que manipula el software, es por esto que conviene tener conocimientos previos de resistencia de materiales para que se haga un buen análisis posterior al estudio realizado. Los análisis estructurales de resistencia mecánica se basan en el estudio de elementos ideales, es por esto que un modelo computacional se convierte en un gran referente a la hora de analizar sistemas complejos, ya que tiene la propiedad de incluir muchas variables que afectan el comportamiento del material. En el proceso de diseño, es importante estandarizar los materiales usados en el modelo, con el ánimo de conseguirlos fácilmente en el mercado, además de simplificar el modelo con geometrías sencillas que faciliten la fabricación, disminuyendo así el tiempo de fabricación y los sobrecostos. La construcción de máquinas involucra todas las competencias adquiridas en la carrera, puesto que se necesitaron cálculos de trasferencia de energía, mecánica de fluidos, además de cálculos de resistencia de materiales que dieron confiablidad y permitieron cumplir con las necesidades del cliente.

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BIBLIOGRAFÍA

Acero estructural [en línea] Santiago de Cali, Sumitec. 2017. [Consultado 19 de Septiembre de 2019] Disponible en internet: http://www.sumiteccr.com/acero/estructural/AE01.pdf

Acoplamiento para motor / para bomba / de metal / de brida omt [en línea] España: directindustry.2p018 [consultado 03 de enero de 2019] disponible en internet: http://www.directindustry.es/prod/omt/product-26807-366671.html

ÁGUEDA, Eduardo, et al. Sistemas de transmisión de fuerzas y trenes de rodaje 2 ed. España: Ediciones Paraninfo, 2018. 18 p.

ALMADOZ BERRONDO, Javier; MONGEOS ORQUÑENA, Belén y PELLEREJO SALABARRIA, Idoia. Sistemas neumáticos y oleohidrahulicos [ en línea] Trabajo de grado Ingeniería Técnica Industrial. España: Escuela Universitaria politécnica. Facultad de ingeniería. 2007. 150 p

Automatización industrial [ en línea] Bogotá:Bogspot.2011 [Consultado 12 de Mayo de 3019] Disponible en internet: http://industrial-automatica.blogspot.com/2011/06/deposito-hidraulicos.html

BARBA MUÑOZ, Luis Fernando, REYES TERAN, Omar. Cálculo y diseño de una prensa hidráulica tipo “C” con capacidad de 20 toneladas. Trabajo de grado Ingeniería mecánica. México: Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería mecánica. 2017. 67 p

Bombas Hidráulicas (1): Introducción [en línea] México: Automatización Industrial. 2018. [ Consultado 16 de mayo de 2018. Disponible en internet: http://industrial-automatica.blogspot.com/2011/07/bombas-hidraulicas-1-introduccion.html

Breve introducción a los cilindros hidráulicos [ en línea] España: Olesa.2017 [Consulado 23 de Mayo de 2019[ Disponible en internet: http://www.olesa.es/noticias/breve-introduccion-a-los-cilindros-hidraulicos

74

BUSTOS, Álvaro. y DELGADO, Juan. Diseño de una prensa para obtención de cámaras de vacío por embutido [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Mecánica. Bogotá: Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad de Ingeniería, 2016. 36 p. [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/3389/1/PROYECTO-DE-GRADO-DISE%C3%91O-DE-UNA-PRENSA-PARA-OBTECI%C3%93N-DE-C%C3%81MARAS-DE-VAC%C3%8DO-POR-EMBUTIDO-FINAL.pdf CARDELINO. Héctor. Tubos de acero para camisas de cilindros hidráulicos.[ en línea] España: hectorcardelino.S.A.2018 [Consultado 20 de Mayo de 2018[ Disponible en internet: http://www.hectorcardelino.com/productos-4/hector-cardelino-s-a--casa-del-reten--el-mundo-de-la-goma-/tubos-de-acero-para-camisas-de-cilindros-hidraulicos CASTILLO, Luis. y DOMINGUEZ, Elizabeth. Diseño de un a prensa hidráulica de 40 toneladas de capacidad para procesos de deformación plástica [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Mecánica. Lima: Universidad Tecnológica de Perú. Facultad de Ingeniería Industrial y Mecánica, 2017. 12 p. [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://repositorio.utp.edu.pe/bitstream/UTP/837/6/Elizabeth%20Dominguez_Tesis_Titulo%20Profesional_2017.pdf Causa de falla en bombas hidráulica [en línea] México: Noria.2015 [ Consultado 23 de mayo de 2019] disponible en internet: http://noria.mx/lublearn/causa-de-falla-en-bombas-hidraulicas/ ÇENGEL, Yunus A; CIMBALA, Jhon M. Fluid mechanics: Fundamentals and Applications. España: McGraw-Hill, 2009. 730 p Cilindros hidráulicos [ en línea] Argentina: Elhinel 2017 [Consulado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: http://www.elhinel.com.ar/index.php?option=com_content&view=article&id=1191&Itemid=501 Conozca las características de los aceites hidráulicos [ en línea] Bogotá: Quiminet. 2018 [Consultado 23 de mayo de 2019] disponible en internet: https://www.quiminet.com/articulos/conozca-las-caracteristicas-de-los-aceites-hidraulicos-2744063.htm

75

DOMINGO, Agustín. Apuntes de Mecánica de Fluidos [en línea]. España: Ed. Creative Commos. 2011, p. 8 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en: http://oa.upm.es/6531/1/amd-apuntes-fluidos.pdf DUARTE, Carlos. y NIÑO. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 4 ed. Bogotá: Ed. Universidad Nacional, 2004. 2-8 p. DUQUE, Jovanny. Electrohidráulica [en línea]. Colombia: Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico, 2007. p. 34 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en: http://www.itsa.edu.co/docs/13-J-Duque-Electrohidraulica.pdf Equivalencias aproximadas entre normas [ en línea] España: Urssa Aceros especiales.2018 [Consultado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: https://www.acerosurssa.es/es/content/14-equivalencias-aproximadas-entre-normas Electrodo revestido (smaw) [en línea] México: Lincoln.2017 [Consulado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: https://www.lincolnelectric.com/assets/global/Products/Consumable_StickElectrodes-MildandLowAlloySteels-Lincoln-Lincoln7018-1/Lincoln_7018-1_ES-MX.pdf Filtros aceite hidráulico [en línea] Bogotá: Blogs pot Jairo Daniel.2015.[Consultado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: http://jairodaniel25.blogspot.com/2015/02/filtros-para-aceite-hidraulico.html Filtros de succión [en línea] Bogotá: Hnsa. 2018. [ Consultado 16 de mayo de 2018. Disponible en internet: http://www.hnsa.com.co/filtros-de-succion/ Fórmulas de Euler para columnas articuladas [ en línea] España: .slideshare.2018 [ Consultado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: https://es.slideshare.net/willyhernandez925/formula-de-euler-para-columnas-articuladas JARDÓN, Alberto, et al. Hidrostática-hidrodinámica [en línea]. Argentina: Ed. Universidad Nacional de Rosario. 2016, p. 5 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en: https://rephip.unr.edu.ar/xmlui/bitstream/handle/2133/5672/7401-

76

16%20FISICA%20Hidrost%c3%a1tica-Hidrodin%c3%a1mica.pdf?sequence=2&isAllowed=y KALPAKJIAN, Serope. y SCHMID, Steven. Manufactura, ingeniería y tecnología 4 ed. México: Ed Petrince Hall. 2002, 357 p. Mantenimiento de instalaciones hidrulicas y mantenimiento de instalaciones de frio y de calor [ en línea] Atlanta: Atlanty Intrenational University.2018. [Consulado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: http://cursos.aiu.edu/Mantenimiento%20Industrial/PDF/Tema%204.pdf Medidas Campanas [en línea] Bogotá_ Hidráulica Rogimar. 2018 [Consultado 02 de Junio de 019] Disponible en internet: http://www.hidraulicarogimar.com/pdf/CA0009.pdf Monoblock directional valves, series hdm [en línea] usa: bucherhydraulics. [Consultado 05 de febrero de 2019] disponible en internet: https://www.bucherhydraulics.com/docs/index.aspx?id=47533&domid=1017&sp=e&m1=30969&m2=44712&m3=30973&m4=46915&m5=47077&m6=47515&m7=47521&m8=47533 Motor Eléctrico trifásico. [en línea] Argentina: Totaline.2018.[ Consultado 16 de Mayo de 2018 [Disponible en internet: https://www.totaline.com.ar/wp-content/uploads/2016/08/28-Cat%C3%A1logo-Motores-Weg.pdf NIÑO, D. y SANDOVAL, Dora. Cálculo y diseño de una prensa hidráulica semiautomática tipo “H” de 100 toneladas para la Empresa Sistemas Innovadores Moldeados y Arquitectónicos, SIMA S.A.S. [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Electromecánica. Colombia: Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Escuela de Ingeniería Electromecánica, 2016. 10 p [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: https://repositorio.uptc.edu.co/bitstream/001/2699/1/TGT_1320.pdf NORTON, Robert L. Diseño de máquinas, un enfoque integrado: Calcular con la nueva fluencia. 4 ed. México: Pearson. 733 p

77

OSSAA, Edgar. y PANIAGUA, Marco. Análisis de falla de la mordaza plana de una prensa hidráulica [en línea]. En: Revista Facultad de Ingeniería. Junio, 2018, No 44, p. 31 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://www.scielo.org.co/pdf/rfiua/n44/n44a03.pdf PAYAN, Héctor. Reingeniería a una prensa hidráulica de Construmecam, para mejorar la eficiencia de su producción [en línea]. Trabajo de grado Ingeniería Mecánica. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingeniería, 2012. 11 p. [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: https://red.uao.edu.co/bitstream/10614/5001/1/TME01383.pdf Placa de Acero al Carbón, Rolada en Caliente sin decapar, Calidad Estructural. [en línea] Bogotá: Ternium Placa. 2016 [Consultado 23 de Mayo de 2019} Disponible en internet: https://terniumcomprod.blob.core.windows.net/terniumcom20/2016/06/Hoja-Tecnica-Placa-A36.pdf Presión Hidrostática. El Principio De Arquímedes [en línea] España: Hiru.s.f. [Consultado 20 de Septiembre de 2019] Disponible en internet: https://www.hiru.eus/es/fisica/presion-hidrostatica-el-principio-de-arquimedes Presiones relativas o absolutas ¿cuál es la diferencia? [en línea]. Argentina: Ingeniarg, 2017 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: http://www.ingeniarg.com/blog/45-presiones-relativas-o-absolutas-cual-es-la-diferencia Prensa hidráulica [en línea]. Cuba: EcuRed, 2017 [consultado 10 de octubre de 2019]. Disponible en Internet: https://www.ecured.cu/Prensa_hidr%C3%A1ulica Principio de Pascal o ley de Pascal [en línea] España: Wordpress. s.f. [Consultado 20 de Septiembre de 2019] Disponible en internet: https://hernanleon1002.wordpress.com/fisica-de-fluidos-y-termodinamica/primer-corte/marco-teorico/principio-de-pascal/ Revisiones y mantenimiento de sistemas hidráulicos[ en línea] Bogotá: Auto mantenimiento: Blog mantenimiento industrial .2018 [ Consulado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: https://automantenimiento.net/hidraulica/revisiones-y-mantenimiento-de-sistemas-hidraulicos/

78

ROQUET, Pedro. Bombas y motores. [ en línea] Bogotá: pedro-roqur.2018. [ Consultado 18 de abril de 2018. Disponible en internet: https://www.pedro-roquet.com/baixades/bombas-pumps_l_-_bi.02.03.03-07.171.pdf) SOLORSANO, Ricardo. Cavitación en un sistema hidráulico [en línea]Bogotá: hydraulicspneumatics.2017.[ Consultado 23 de Mayo de 2019] Disponible en internet: https://www.hydraulicspneumatics.com/blog/cavitaci-n-en-un-sistema-hidr-ulico STELL, Marcs. DIN 2391 ST52 Carbón steel pipes manufacturer [en línea] España: marcsteelindia.2018 [Consultado 23 de Abril de 2018] Disponible en internet: https://www.marcsteelindia.com/din-2391-st52-pipe-tube-manufacturer-supplier/ Tipos de cilindros hidráulicos [en línea]Bogotá: Blog de mantenimiento industrial .2018 [Consultado 19 de Septiembre de 2019] Disponible en internet http://automantenimiento.net/hidraulica/tipos-de-cilindros-hidraulicos/ WIKA, Alexander. Manómetro con tubo Bourdon, aleación de cobre Caja en acero inoxidable, con líquido de relleno, NG 50, 63 y 100 Modelo 213.53 [ en línea] España.wika.co.2018.[ Consultado 23 de Mayo de 2019]Disponible en internet: https://www.wika.co/upload/DS_PM0212_es_es_3728.pdf ----------. Indicador de nivel de vidrio Modelo LGG[ en línea] España.wika.co.2018.[Consultado 23 de Mayo de 2019]Disponible en internet: https://www.wika.co/upload/DS_LM3301_es_es_79712.pdf ZACARÍAS, Santiago, et al. Mecánica de Fluidos: Teoría con aplicaciones y modelado. México: Grupo Editorial Patria, 2017. 5 p.

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ANEXOS

Anexo A. Planos de fabricación de la estructura de la prensa electrohidráulica

80

Anexo A (Continuación)

81

Anexo A (Continuación)

82

Anexo A (Continuación)

83

Anexo B. Página 727 del libro diseño de máquinas un enfoque integral

84

Anexo C. Fotografías de la prensa hidráulica terminada e instalada

85

Anexo C (Continuación)

86

Anexo C (Continuación)

87

Anexo D. Ficha técnica motor de 5 hp

88

Anexo E. Ficha técnica ACEITE ISO 68

89

Anexo E (Continuación)

90

Anexo E (Continuación)

91

Fuente: Fluidos eléctricos industriales [ en línea] Argentina: Shell Telus.2018 [Consultado 20 de Junio de 2019] Disponible en Internet: http://tradsa.com.ar/wp-content/uploads/2015/08/Tellus-S2-M-68.pdf

Anexo E (Continuación)

92

Anexo F. Esquema eléctrico

93

Anexo G. Ficha técnica Bomba Hidráulica Roquet

94

Anexo G (Continuación)

95

Anexo H. Ficha técnica Manómetro conexión vertical NG 63. Modelo 213.53

96

Anexo H (Continuación)

97

Anexo I. Ficha técnica Indicador de Nível

98

Anexo J. Ficha técnica acero ASTM A36

99

Anexo K. Ficha técnica Soldadura Lincoln 7018

100

Anexo K (Continuación)

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Anexo L. Posibles fallas y averías Con el fin de facilitar el diagnóstico y dar una solución inmediata en caso de ser posible, se listan a continuación posibles fallas y averías del sistema con sus respectivas causas.

Ruido excesivo

Podría deberse al fenómeno de cavitación:

- Caudal de aceite insuficiente en el orificio de entrada de la bomba.- Filtro de succión obturado total o parcialmente.- Viscosidad del aceite muy elevada a la temperatura de funcionamiento.- Temperatura de funcionamiento demasiado baja ocasionando exceso de

viscosidad, o demasiado alta ocasionando vaporización.- Velocidad de rotación excesiva.- Nivel de aceite demasiado bajo.- Tubería de aspiración demasiado estrecha, demasiad larga, o con

irregularidades en su recorrido (codos, cambios bruscos de sección)- Válvulas medio cerradas en la tubería de succión

Presión Insuficiente del sistema

- Mal funcionamiento de la válvula de alivio o limitadora de presión que gobiernala presión del circuito, compruebe que el eje interno, obturador y los asientos noestén marcados o desgastados.

- Valor de taraje demasiado bajo en la válvula limitadora de presión o en elelemento control de presión

- Conexión a venteo parcialmente abierta en la válvula limitadora de presión- Desgaste en el cuerpo interno de la bomba- Cilindro con desgaste interno (sellos deteriorados)

Sistema sin Presión

- Nivel de aceite demasiado bajo- Sentido de rotación de la bomba incorrecto- Bomba no acoplada al motor (acople roto)- Eje de la bomba partido- Válvula limitadora de presión bloqueada

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Anexo M. Definiciones varias y conceptos utilizados CENTRAL OLEOHIDRÁULICA La creación de la energía en un sistema hidráulico se realiza por medio de una bomba, que normalmente va unida a una serie de elementos, formando lo que se conoce como grupo o central hidráulica. El grupo hidráulico se compone principalmente de un depósito o tanque, una bomba, motor eléctrico, una válvula limitadora de presión, válvulas direccionales, un manómetro y dos racores por lo menos, uno de toma depresión P y otro de retorno al tanque T. Casi siempre suelen llevar algún tipo de filtro y si el grupo es un poco grande necesitará de refrigeradores para enfriamiento del aceite. Muchas veces las válvulas de control van incorporadas en el propio grupo conectadas en forma modular para minimizar el número de tuberías y juntas. También pueden ser añadidos elementos de control para la automatización tales como, sensores de nivel, de presión y temperatura. Esquema de una central oleo hidráulica sencilla.

Fuente: central oleohidraulica [en línea] Usa: oleohidraulica 2018 [ Consuñyaod03 de Enero de 2019] Disponible en internet: https://www.google.com/search?q=central+oleohidraulica&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjct8_5qt_jAhVxx1kKHRyIA_YQ_AUIESgB&biw=1242&bih=568#imgrc=b23opvYooPnQGM:

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DEPÓSITO HIDRÁULICO La principal función del depósito o tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar entrar la suciedad externa su estructura sirve de soporte de la bomba, del motor de accionamiento y de otros elementos auxiliares. El tanque dispone de los siguientes elementos: Tapa de llenado: Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para llenar y añadir aceite al tanque. En los tanques presurizados la tapa de llenado mantiene hermético el sistema. Mirilla o Visor de Nivel: Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto. Tuberías de suministro y retorno: La tubería de suministro permite que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que el aceite fluya del sistema al tanque. Drenaje: Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del aceite, contaminantes como el agua y sedimentos. Rejilla de llenado: Evita que entren contaminantes grandes al tanque cuando se quita la tapa de llenado. Tubo de llenado: Permite llenar el tanque al nivel correcto y evita el llenado en exceso. Manómetro: Es un instrumento que nos permite medir la presión del sistema. Deflectores: Evitan que el aceite de retorno fluya directamente a la salida del tanque y dan tiempo para que las burbujas en el aceite de retorno lleguen a la superficie. También evita que el aceite salpique, lo que reduce la formación de espuma en el aceite. Rejilla de retorno: Evita que entren partículas grandes al tanque, aunque no realiza un filtrado fino.

Anexo M(Continuación)

104

Tanque o depósito hidráulico.

CILINDRO HIDRÁULICO Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico presurizado, que es típicamente algún tipo de aceite. Los cilindros hidráulicos convierten la energía hidráulica en energía mecánica para ejecutar un trabajo útil. Son empleados cuando la fuerza a desarrollar es importante y un cilindro neumático no puede lograrla, así mismo por la característica del fluido (aceite) se logra un control de la velocidad muy preciso. El cilindro hidráulico consiste básicamente en dos piezas: un cilindro (camisa) y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por donde sale el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras: la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento lineal. La fuerza máxima es función de la superficie activa del émbolo y de la presión máxima admisible, donde: F = P * A Esta fuerza es constante desde el inicio hasta la finalización de la carrera. La velocidad depende del caudal de fluido y de la superficie del pistón. Según la versión, el cilindro puede realizar fuerzas de tracción y/o compresión.

Anexo M (Continuación)

105

Los cilindros hidráulicos pueden clasificarse en: simple efecto y doble efecto. Cilindro Simple efecto: Es un tipo de cilindros que hidráulicamente solo se moverá en un sentido, y el movimiento opuesto lo realiza por un medio mecánico, como puede ser un muelle, o por gravedad. A simple vista se pueden identificar al tener solo una conexión hidráulica.

Cilindro de doble efecto: Es un tipo de cilindros que genera movimiento en los dos sentidos por medio de la energía hidráulica. Tienen dos conexiones hidráulicas, una de ellas para extraer el pistón y la otra para contraer el pistón por medio de los componentes del circuito hidráulico.

Partes de un cilindro hidráulico

Fuente: Cilindros hidráulicos [en línea] Usa: hydraulicos.2018.Cinsltadi03 de Enero de 2019] Disponible en internet: http://www.hydraulic-calculation.com/es/article.php?ID=16

Anexo M (Continuación)

106

Anexo N. Ficha técnica de la prensa electro-hidráulica Como este trabajo estaba orientado a la solución de una empresa, se hace necesario hacer entrega de una ficha técnica de la máquina que se fabricó, con el fin de garantizar los parámetros de operación del equipo y que ellos tengan un estándar de manejo dentro de su empresa. CARACTERISTICAS TÉCNICAS Tipo: Prensa Electrohidráulica Fuerza máxima de operación: 63,5 Ton. Fuerza de operación: 50 Ton. Presión de trabajo: 2200 psi. Velocidad de operación: 4,5mm/s. Recorrido del cilindro hidráulico: 120mm. Volumen del depósito hidráulico: 10 Gal. Potencia instalada: 5 hp. Alimentación eléctrica: 440 V/60 Hz. Dimensiones de la placa móvil de la mesa de trabajo: 400mm x 400mm. Altura de la mesa móvil con respecto al piso: 800mm. Altura útil de la placa móvil a la placa superior del cilindro: 200mm. Peso aproximado: 1 Ton. Dimensiones de la máquina. Largo: 850mm Ancho: 900mm Alto: 1684mm

107

Anexo O. Conceptos de columnas

108

Anexo O (Continuación)

109

Anexo O (Continuación)

110

Anexo P. Fórmulas varias para cálculos hidráulicos

111

Anexo Q. Simbología hidráulica

Anexo P (Continuación)

112

Anexo R. Esquema hidráulico

113

Anexo S. Planos cilindro hidráulico

114

Anexo S (Continuación)

115

Anexo S (Continuación)

116

Anexo S (Continuación)

117

Anexo S (Continuación)

118

Anexo S (Continuación)

119

Anexo S (Continuación)

120

Anexo S (Continuación)

121

Anexo T. Mantenimiento

El mantenimiento de un circuito hidráulico bien realizado lleva poco tiempo en comparación con el número de horas de funcionamiento que es capaz de asegurar. Un buen mantenimiento empieza por la elección adecuada del aceite que contiene el circuito.

Un fluido que convenga perfectamente para la aplicación, tiene por efecto proteger todo el material contra desgaste, en particular las piezas en movimiento de las bombas y los motores.

La mayoría de las averías (70-80%) en una Unidad Hidráulica bien diseñada y construida, son debido a:

- Aceite de mala calidad- Aceite adecuado desgastado- Malas condiciones de filtración

Mantenimiento preventivo

Antes de comenzar todo trabajo en un circuito, asegúrese que el circuito de alimentación del motor eléctrico este desenergizado. Así mismo, verificar que no exista una acumulación de energía mecánica por la presión del sistema.

Diariamente

Verificar el nivel del aceite del depósito, si es necesario añadir para completar elnivel adecuado.

Verificar presión del sistema a 2200 psi

Verificar temperatura del aceite entre 40 – 60°C. Verificar el aspecto del aceite; La presencia de espuma en la superficie indicaque se ha producido una entrada de aire, sea en la bomba (juntas de paso del eje,juntas del fondo), o bien sea en la línea de succión o en las uniones. Un aspectoturbio indica la presencia de agua.

122

Verificar fugas de aceite de manera visual en mangueras y tuberías.

Mensualmente

Limpieza de filtro en la succión de la bomba, la limpieza de los filtros se hacepor inmersión en un disolvente, cepillado con un pincel y aire fresco

Para los filtros de la línea de retorno, los cartuchos son reemplazados despuésde cierto número de horas de funcionamiento según indicaciones del fabricante,regularmente cada 500 horas de trabajo.

Revisar el apriete de los elementos de fijación en el grupo motor-bomba, de lossoportes y tuberías.

Verificar el acoplamiento flexible entre motor y bomba

Inspeccionar exceso de ruido de la bomba y motor

Para el depósito

Vaciar, limpiar las paredes u asegurarse que la pared superior no presenteseñales de oxidación. Cepillar toda señal de oxidación, volver a pintar si fueranecesario.

Para el cilindro

Revisar ajuste de tuercas de los tornillos, verificar que no exista ningún tipo de ralladura en el vástago. Verificar que no exista ningún tipo de fuga de aceite en la parte frontal del cilindro y en sus flanches, si se presentan fugas se debe bajar el cilindro para hacer cambio de todos los sellos internos.

Se recomienda también leer el anexo 12 para conocer las diferentes averías que pueden presentarse en un sistema hidráulico y sus posibles causas.